王莊煤礦5216綜放工作面破碎圍巖巷道注漿加固技術研究

段三平

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

1 工程概況

1.1 工作面概況

王莊煤礦5216綜放工作面主采3號煤層，工作面平均煤厚6.9 m，煤層含3～4層加矸，工作面直接頂巖性為泥巖，平均厚度3.5 m，老頂巖性為細砂巖，平均厚度為6.7 m，工作面直接底巖性為泥巖，平均厚度2.6 m，老底巖性為中砂巖，平均厚度4.5 m，位于礦井52采區，工作面高程區間為610～660 m。工作面運輸巷為沿空掘巷，臨近5208采空區，保護煤柱留設尺寸為18 m，巷高3.2 m，巷寬4.5 m，矩形斷面，設計長度1 500 m，沿煤層底板掘進。圖1為5216工作面布置平面圖。

圖1 5216工作面布置平面圖

1.2 支護概況

圖2 為5216綜放工作面運輸巷掘進時的支護斷面及參數，運輸巷頂板支護采用6根錨桿以800 mm×800 mm的間排距打設固定，再以1 250 mm×1 600 mm的間排距打設3根大孔徑預應力錨索加強支護；巷幫采用5根錨桿以700 mm×800 mm的間排距打設固定，兩側巷幫支護相同。這種支護形式能夠滿足5216運輸巷在掘進期間的支護需求，工作面進入到回采階段，受采煤活動的動壓，采空區側壓以及巷道承壓的應力集中影響，巷道在高應力集中區域變形量加劇，出現冒頂、片幫的現象，巷道圍巖位移嚴重，這種情況在工作面回采一段時間以后進一步惡化，此時工作面向外50 m范圍內增加了單體液壓支柱進行支護加強，但是巷道圍巖位移變形的情況仍然無法遏制[1-2]。工作面現場實際測得，最大頂板下沉量已達700 mm，兩側巷幫最大位移量已達1 000 mm，5216運輸巷的巷道變形問題已經嚴重影響到工作面的生產效率及安全性，需要采取措施對巷道進行加強支護。

圖2 5216運輸巷支護斷面及參數

2 巷道變形分析及加固方案

2.1 巷道變形原因分析

由于5216運輸巷臨近采空區，雖然留設較大尺寸的保護煤柱，但在工作面進行回采時還是會受到側面采空區支撐壓力的影響，再加上回采動壓以及超前承壓，導致工作面高應力集中，造成5216運輸巷變形嚴重。為進一步對工作面回采時巷道圍巖受應力影響而位移破碎的機理，利用數值仿真計算軟件FLAC3D對5216運輸巷在工作面回采時的圍巖位移量分布情況進行詳細分析[3-5]。根據工作面巖性參數進行仿真建模，巖性參數詳見表1。

表1 各巖層物理力學參數

根據建立的數值計算仿真模型，對5216運輸巷進行力學仿真模擬，并生成對應的圍巖位移區域分布，圖3為工作面前方5 m處巷道圍巖位移區分布；圖4為工作面前方25 m處巷道圍巖位移區分布。

經分析，巷道圍巖的位移范圍跟工作面距離遠近有關，距離越近位移范圍越大，反之減小。通過對比，發現巷道兩幫的圍巖位移受工作面回采影響較大，巷道兩幫圍巖承壓越大，位移范圍及位移量就越大[6-8]，由圖3、圖4可知，在工作面前方5 m處，運輸巷頂板和近煤柱側巷圍巖受影響較大，圍巖位移范圍也隨之變大，位移量最大時已超出運輸巷原支護范圍；在工作面前方25 m處，運輸巷頂板和近煤柱側巷幫已基本不受工作面超前承壓的影響，頂板圍巖及近煤住側巷幫圍巖位移范圍較小。

圖3 5216運輸巷工作面前方5 m位移區分布

圖4 5216運輸巷工作面前方25 m位移區分布

通過對數值仿真計算軟件FLAC3D仿真計算成果，并結合5216工作面的地質資料的綜合分析，確定5216工作面在回采期間運輸巷巷道圍巖位移量大的主要因素主要為以下4點：

1）工作面地質條件因素。5216工作面煤層的直接頂和直接底為泥巖，巖性較軟，穩定性差，承壓能力弱，5216運輸巷沿底掘進，巷道圍巖承壓能力不足。

2）受采空區側向壓力影響。在5216工作面進行回采活動時，巷道圍巖受影響產生松動，運輸巷近煤柱側巷幫圍巖經側向來壓后產生位移，造成巷道變形加劇。

3）受工作面超前承壓影響。工作面回采時，運輸巷圍巖受到工作面超前承壓與回采動壓的進一步破壞，巷道頂板圍巖大幅下沉。

4）支護失效。數值仿真計算模擬結果顯示，5216運輸巷巷道圍巖在工作面回采期間，由于破碎和位移量較大，導致原巷道支護范圍不足以對破碎圍巖形成有效支護作用，巷道圍巖位移量及范圍隨之變大。

2.2 工作面注漿加固

5216運輸巷原有的支護形式在工作面回采期間已無法滿足巷道的支護需求，給工作面的安全生產造成很大的影響。為提高巷道支護強度，增加巷道圍巖的承壓能力，在巷道原有支護基礎上，決定對工作面進行注漿加固，通過對巷道注入高強度的速凝漿液充分填充圍巖破碎裂隙，改善巷道圍巖的力學特性，提升巷道圍巖的整體性及承壓能力。對巷道圍巖破碎位移的因素分析及模擬計算，結合工作面回采時巷道圍巖承壓需求，確定本次注漿加固工程的具體方案：

1）注漿鉆孔設計。如圖5所示，5216運輸巷頂板采用淺層注漿并結合注漿錨索進行加固，設計布置淺層注漿鉆孔2個，孔徑42 mm，孔深為2.5 m，孔間距為1.5 m×1.6 m，注漿錨索設計3根，孔徑32 mm，孔深8 m，孔間距為1.25 m×1.6 m，注漿錨索預緊力設計為28 MPa；運輸巷煤柱側巷幫設計布置注漿錨索2根，孔徑32 mm，孔深5 m，孔間距為1.1 m×1.6 m，注漿錨索預緊力設計為28 MPa。

圖5 5216運輸巷注漿加固方案布置圖

2）漿液配比。5216運輸巷注漿加固材料選擇高強度水泥、懸浮劑、石膏、石灰、速凝劑以及緩凝劑，并根據材料特性將上述材料分為2類，Ⅰ類材料為高強度水泥、懸浮劑、緩凝劑；Ⅱ類材料石膏、石灰、懸浮劑、速凝劑。為在進行注漿漿液配比時，Ⅰ類材料混合配比與Ⅱ類材料混合配比，通過配比實驗，發現在漿液的水灰配比在1.5∶1時，可達到最佳使用效果。

3）注漿壓力。根據5216運輸巷圍巖的破碎程度以及注漿材料的特性分析，確定巷道頂板淺層注漿孔注漿壓力為1～2 MPa，注漿錨索的注漿壓力最大不能超過5 MPa。

4）注漿量。為使注漿加固效果最大化，在進行現場注漿活動時，要確保巷道注漿充分，注漿壓力達標后，觀察注漿孔變化情況，當出現漿液滲出時方可停止注漿。具體的單孔注漿量可由公式（1）計算得出：

式中：Q為注漿孔的單孔注漿量，m3；L為注漿孔鉆進方向上加固范圍長度，m；A為注漿時的材料消耗系數，取值1.2～1.5；β為破碎圍巖裂隙率，取值1%～5%；R為漿液擴散半徑，m。5216運輸巷注漿加固工程工序流程圖如圖6所示。

圖6 5216運輸巷注漿加固流程圖

3 效果分析

5216工作面完成注漿加固工程后，運輸巷圍巖位移得到一定控制，為驗證運輸巷注漿加固的效果，對巷道頂底板以及巷道兩幫圍巖的位移量進行了持續測量。并將測量成果繪制成圖，如圖7、圖8所示。

圖7 5216運輸巷在回采期間圍巖位移曲線

圖8 5216運輸巷回采期間圍巖位移速率曲線

1）5216運輸巷在經過注漿加固后，在工作面回采期間，巷道近煤住側向來壓與采動超前承壓對巷道圍巖位移的影響得到了控制。頂板圍巖下沉量不足400 mm，巷道兩幫相對位移量不足700 mm，能夠滿足工作面在回采期間運輸巷的使用要求。

2）工作面回采期間，5216運輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移速度越快，距離回采位置越遠巷道圍巖的位移速度越慢。

3）工作面回采期間，5216運輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移量越大，距離回采位置越遠巷道圍巖的位移量越小。

4）5216運輸巷進行注漿加固后，巷道圍巖位移受超前承壓的影響范圍在40 m左右，在影響范圍內巷道圍巖位移速率明顯高于影響范圍外。

4 結論

為能夠滿足5216運輸巷采工作面回采期間的使用要求，結合王莊煤礦基礎地質資料對5216工作面進行圍巖位移因素及圍巖承壓能力的數值計算仿真模擬。發現5216運輸巷在工作面回采期間受多種應力影響，且原巷道支護因圍巖位移嚴重而喪失支護能力，導致巷道圍巖位移進一步加快。基于此種情況綜合分析，決定對原巷道支護進行注漿加固補強，結合5216工作面地質情況及工程造價等問題，確定了注漿加固方案，5216運輸巷頂板采用淺層注漿與注漿錨索進行注漿加固，煤柱側巷幫采用注漿錨索進行注漿加固，通過對注漿后運輸巷圍巖位移參數進行持續監測，發現注漿加固后巷道圍巖位移情況得到了有效控制，巷到頂板圍巖下沉量控制在 400 mm內，兩幫圍巖相對位移量控制在700 mm內，滿足工作面回采期間運輸巷的使用要求，保證了礦井安全高效生產。