綜放回采巷道破碎圍巖注漿加固技術研究

李 飛

(山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031)

1 工程概況

王莊煤礦5216工作面位于52采區，所采煤層為3#煤層，煤層均厚為6.9m，平均含有夾矸3～4層，采用綜采放頂煤工藝開采，煤層直接頂為均厚為3.5m的黑色泥巖，基本頂為均厚為6.7m的灰色細粒砂巖，直接底為2.6m的黑色泥巖，老底為均厚為4.5m的灰色中砂巖，工作面標高為610～660m。5216工作面運輸巷沿3#煤層底板掘進，全長為1500m，巷道斷面為矩形，高度為3.2m，寬度為4.5m，該巷道與5208采空區之間留設有18m的保護煤柱，5216工作面具體位置如圖1所示。

圖1 5216工作面位置示意圖

圖2 5216工作面運輸巷支護斷面圖

5216工作面運輸巷掘進后采用的支護方式為錨網梁支護，巷道頂板布置錨桿6根，間排距為800×800mm，頂板布置3根大孔徑預應力錨索，間排距為1250×1600mm，巷道兩幫布置5根錨桿，間排距為700×800mm，具體巷道支護斷面圖如圖2所示。該巷道在掘進期間采用錨網梁支護能夠基本圍巖穩定，但在5216工作面回采期間，5216工作面運輸巷由于受到回采動壓、采空區側向支承壓力和工作面支承壓力三種應力疊加的影響作用，致使巷道礦壓顯現劇烈，具體表現為巷道兩幫煤壁向巷道內變形，頂板下沉量大，其中在工作面大約回采40m以后，工作面前方圍巖松散破碎，致使原有支護錨桿、錨索失效嚴重，礦方運用單體支柱在超前工作面50m范圍內進行支護，仍無法控制住巷道圍巖變形。根據現場觀測在巷道變形嚴重區域頂板下沉量達到600～700mm，兩幫的變形量達到800～1000mm，故現需采取措施對5216工作面運輸巷進行加固。

2 巷道變形原因分析與加固方案

2.1 巷道變形原因分析

5216工作面運輸巷在工作面回采期間由于受到超前支承壓力和側向支承壓力的疊加作用，使得巷道圍巖變形破碎，現為充分分析巷道在采動及超前支承壓力作用下的圍巖變形機理，采用FLAC3D數值模擬軟件對5216工作面運輸巷在回采期間圍巖塑性區的分布特征進行具體分析，建立模型時各巖層力學參數如表1所示。

表1 各巖層物理力學參數

通過數值模擬建立力學計算模型，并進行開挖支護后對位于工作面前方5m和25m范圍的圍巖塑性區分布進行出圖分析，如圖3、圖4所示。

通過分析圖3、圖4分析可知，圍巖塑性區范圍隨著與工作面距離的增大而逐漸減小，工作面回采主要對工作面幫巷道圍巖塑性區的分布影響較大，工作面幫塑性區域的分布隨著支承壓力的增大而逐漸增大，工作面前方5m處巷道頂板和煤柱幫受到剪切拉破壞范圍及塑性區域范圍較大，局部塑性區域已超出原有錨索支護的范圍；工作面前方25m處，巷道煤柱幫及頂底板塑性區域范圍相對較小，基本已不再受工作面超前支承壓力的影響。根據5216工作面的地質資料結合數值模擬結果能夠分析得出5216工作面運輸巷在回采期間圍巖變形量大的主要原因如下：①5216工作面運輸巷沿煤層底板掘進，巷道直接頂及直接底均為泥巖，巷道本身圍巖巖性較差、強度低；②巷道在開挖擾動后，圍巖出現松動破壞，同時受到臨近采空區高側向支承壓力的影響，使巷道進一步變形；③在工作面回采超前支承壓力與側向支承壓力的聯合作用下巷道進一步變形破壞，巷道圍巖由淺部塑性變形轉變為基本頂整體下沉變形；④根據數值模擬結果，在工作面回采期間，圍巖破碎區域的范圍超過錨桿的錨固范圍，使錨桿喪失了支護承載能力，使圍巖變形進一步增大。

圖35216 工作面運巷工作面前方5m塑性區分布

圖45216 工作面運巷前方25m塑性區分布

2.2 巷道注漿加固方案

在5216工作面回采期間，5216工作面運輸巷在回采工作面前方礦壓顯現劇烈，根據上述分析知巷道圍巖變形量大，僅采用錨桿支護、U型棚支護等傳統的支護手段很難取得較好圍巖控制的效果，此時便需要從改善巷道圍巖特性，提升圍巖自身承載能力出發，根據理論研究與相關實踐能夠得出注漿加固能夠從根本上改變圍巖力學性能，提高圍巖承載能力[1-3]，故擬對5216工作面運輸巷頂板及煤柱幫進行注漿加固。本次注漿施工在注漿材料的選擇上綜合考慮了工程成本與效果后選擇了高水速凝材料作為注漿材料，具體注漿加固的參數主要如下：

1）注漿鉆孔布置。在5216工作面運輸巷頂板采用淺部注漿和注漿錨索相結合的注漿方式，煤柱幫采用注漿錨索進行加固，巷道頂板布置2個淺部注漿孔，3個注漿錨索孔，淺部注漿孔之間的間排距為1500mm×1600mm，孔深2.5m，孔徑為42mm，頂板注漿錨索間排距為1250mm×1600mm，孔深8000mm，孔徑為32mm；煤柱幫布置2個注漿錨索，錨索的間排距為1100mm×1600mm，錨索注漿孔深5000mm，孔徑為32mm，頂板及煤柱幫設定的注漿錨索的預緊力均為28MPa,具體注漿鉆孔布置如圖5所示。

圖5 5216工作面運輸巷注漿鉆孔布置圖

2）注漿水灰比。本次使用的高水速凝材料[4]主要由甲料加甲料和乙料加乙料組成，甲料加甲料的主要成分為硫鋁酸鹽水泥熟料、懸浮劑和緩凝劑，實際應用中甲料加甲料混合使用，乙料加乙料的主要成分為石膏、石灰、懸浮劑及速凝劑，實際使用時乙料加乙料混合使用。通過不同水灰比的試驗研究表明[5]，當水灰比為1.5：1時，漿液固結體的性能較好，經濟合理，故最終確定甲料加甲料與乙料加乙料的水灰配比均為1.5：1。

3）注漿壓力。注漿壓力主要由注漿材料的性能、滲透范圍及圍巖的滲透性等因素確定，注漿壓力高時能克服裂隙的阻力使漿液滲透到圍巖，但壓力過高時會對圍巖產生劈裂效應；在圍巖裂隙發育嚴重時，注漿壓力一般小于1MPa，在圍巖裂隙開裂度較小時注漿壓力可為1～2MPa[6]。根據5216工作面運輸巷的實際情況確定淺部注漿孔的注漿壓力不超過2MPa，注漿錨索的壓力不超過5MPa。

4）注漿量。為保證注漿加固后破碎圍巖能夠充填密實并充分固結，現場注漿時應保證注到不吃漿為止，在達到注漿壓力后。通過觀察漿液的滲透、漏出情況來判斷注漿孔漿液是否已經注漿充分，另外每隔注漿孔的漿液消耗量可通過下式進行計算：

式中：Q為注漿鉆孔的漿液注入量，m3；L為鉆孔長度方向加固區域的厚度，m；A為漿液的消耗系數，取1.2～1.5；β為圍巖的裂隙率，取1%～5%；R為漿液的有效擴散半徑，m。

淺部注漿施工時的施工順序為打設注漿鉆孔→插管封孔→注漿施工，中空注漿錨索的施工順序為打設錨索注漿孔→安裝注漿錨索→張拉錨索→錨索注漿。

3 注漿加固效果分析

在對5216工作面運輸巷注漿加固后通過對巷道表面進行持續的位移測量頂底板移近量及兩幫收斂量，根據測量結果能夠判斷出采用壁后注漿后，錨桿錨索的注漿效果及巷道圍巖的穩定性。將位移測量所得到的數據繪制成變形量、變形速度—距工作面距離的曲線，如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中能夠看出如下規律：

1）5216工作面運輸巷在工作面回采期間，通過對巷道進行注漿加固后，巷道在側向支承壓力和超前支承壓力的影響下，頂板下沉量小于400mm，兩幫的相對移近量小于700mm，故5216工作面運輸巷在注漿加固后巷道的變形量滿足使用要求；

2）在5216工作面回采期間，在超前支承壓力范圍內巷道頂板下沉速度隨著距離工作面長度的縮短在逐漸增大，超出超前支承壓力的影響范圍后的巷道圍巖變形速度逐漸減小；

3）從圖5中能夠看出在超前支承壓力的影響范圍內，與工作面的距離越小，巷道的變形量越大，并且該處變形量會決定巷道最終變形量的大小；

圖65216 工作面運輸巷在回采期間圍巖變形曲線

圖7 5216工作面運輸巷回采期間圍巖變形速率曲線

4）從圖7巷道圍巖變形速率曲線能夠看出注漿加固后超前支承壓力的影響范圍約為40m，在超前支承壓力的范圍內巷道圍巖變形量較快，超出超前支承壓力的影響范圍后巷道變形速度便比較緩慢。

4 結 論

1）通過綜合5216工作面運輸巷地質資料和數值模擬結果得出巷道圍巖巖性差、回采動壓及側向支承壓力作用下圍巖破壞嚴重及工作面前方5m以上的范圍塑性區寬度超出錨桿的錨固范圍，使錨桿喪失承載能力是造成巷道圍巖變形大的主要原因。

2）針對5216工作面運輸巷變形破壞特征，提出對巷道頂板采用注漿管淺部注漿與注漿錨索相結合的注漿方式，煤柱幫采用注漿錨索的方式對巷道進行注漿加固

3）注漿加固后，通過礦壓觀測數據能夠得出巷道頂板下沉量小于400mm，兩幫的相對移近量小于700mm，注漿加固有效的提高了圍巖的承載能力，使得巷道變形量滿足回采期間的使用要求。