18503工作面復用巷道二次注漿工藝及模擬分析

何天龍

（西山煤電晉興能源有限公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

隨著工作面采深、采高的逐步增加，礦山壓力顯現(xiàn)越來越明顯，使得復用巷道的留設成為難題[1-4]。隨著后期開采活動的影響，復用巷道兩側的圍巖松動圈范圍逐步擴大，致使煤巖體的整體性下降，圍巖體離散程度加大，巷道支護效果降低，巷道整體變形進一步加劇[5]。二次采動影響下的巷道，支護難度大，整體性差，注漿加固成為有效地提高巷道圍巖的整體性、控制巷道變形的有效方法。斜溝煤礦18503工作面復用巷道采用超前注漿與滯后注漿的二次注漿加固技術，通過現(xiàn)場的前期調研和力學性能試驗，初步確定現(xiàn)場的具體注漿參數(shù)，并結合數(shù)值模擬和后期的工藝性試驗，進一步驗證該技術對控制復用巷道的大變形有較大的幫助。

1 現(xiàn)場礦壓規(guī)律分析

復用巷道在采動影響下，其時間和空間上與采煤工作面有明顯的分區(qū)特點。就工作面前方的支承壓力而言，通過在受采動影響的煤體中埋設的鉆孔應變計和觀測工作面影響區(qū)單體柱的壓力變化，可以將工作面支承壓力劃分為三個區(qū)，如圖1。

圖1 工作面支承壓力分布規(guī)律

2 復用巷道注漿時機

注漿過早的話，由于煤體自身結構完整，會使得整體注漿效果不明顯；但如果注漿時間過晚，由于煤體在復合壓力作用下破碎嚴重，這種情況下會使得注漿液消耗量大，造成材料不必要的浪費。

根據現(xiàn)場對支承壓力的監(jiān)測，選擇壓力值達到峰值時開始注漿。就二次注漿而言，根據現(xiàn)場工作面推進情況，選擇滯后支承壓力對復用巷道產生影響時開始注漿。

前期超前注漿會使得煤體整體性高，煤體具有一定的強度。滯后二次注漿選擇在滯后工作面處，因為在支承壓力作用下，該處巷道兩幫裂隙發(fā)育充分，有利于漿液在煤巖體中的擴散，能夠較大程度上提高煤巖體的整體強度。

3 復用巷道二次注漿工藝參數(shù)

3.1 二次注漿壓力

注漿壓力的大小影響著注漿液在巷道煤巖體中的擴散范圍和擴散速度，注漿壓力的選取直接影響著復用巷道注漿加固的效果，而注漿壓力的選取又取決于巷道周邊煤巖體的力學性能、注漿液的性質及所要求的漿液擴散半徑。

注漿壓力可按照經驗公式（1）求得：

式中：

?-注漿過程中的壓力系數(shù)，MPa/m，當注漿地點埋深小于250m時，?=0.022～0.020；注漿地點埋深為250～350m時，?=0.020～0.018；注漿地點埋深為350～450m時，?=0.018～0.016；

RD-有效注漿長度，即復用巷道兩幫圍巖松動圈半徑，m。

根據前期對斜溝煤礦18503工作面復用巷道的調研，可知：注漿地點的埋深為375m，?可取0.18；而巷道兩幫的圍巖松動圈半徑為2.3m，因此可以得出適合該復用巷道的注漿壓力PD為0.414MPa。

3.2 二次注漿量

考慮到注漿量會受復用巷道兩幫圍巖的裂隙發(fā)育、松動圈范圍及圍巖巖性的影響，其注漿量可采用式（2）進行計算：

式中：

Q-二次注漿量，m3；

r-二次注漿的有效擴散半徑，m；

n-巷道兩幫圍巖體的孔隙率，取0.85；

L-二次注漿鉆孔的整體長度，m；

α-二次注漿充填系數(shù)，取0.70；

β-二次注漿壓力衰減系數(shù)，取1.25。

根據巷道圍巖松動圈范圍，二次注漿的有效擴散半徑為2.5m，而二次注漿鉆孔的整體長度為3.0m，計算得出其注漿量Q為43.79m3。

3.3 二次注漿有效半徑

二次漿液在巷道兩幫煤巖體裂隙中的擴散是極為不規(guī)則的，隨著煤巖體自身的滲透系數(shù)、裂隙發(fā)育寬度、二次注漿壓力、二次注漿時間的增加而逐漸增大，隨著二次漿液的濃度和二次注漿液的黏度的增加而注漿減小。因此，現(xiàn)場通常以調節(jié)注漿液的二次注漿壓力、注漿量及注漿濃度等參數(shù)來控制注漿液在煤巖體中的擴散范圍。

根據以往的注漿經驗，推導得出適合于二次注漿的公式（3）：

式中：

γ-煤巖體的容重，kg/m3；

h-注漿地點的埋深，m；

σc-復用巷道兩幫煤巖體的平均抗壓強度，MPa；

H-復用巷道的巷高，m。

由式（3）可以得出二次注漿有效半徑為2.46m。

3.4 二次注漿鉆孔布置方式

二次注漿鉆孔孔深根據巷道兩幫圍巖體的松動圈范圍而定，孔間距的選擇根據注漿液的有效擴散半徑而定，因此其孔間距應為二次注漿有效半徑的1.65～1.75倍之間，具體根據現(xiàn)場施工情況而定。

4 復用巷道二次注漿效果分析

根據對斜溝煤礦18503工作面的前期調研，運用FLAC3D進行有限元模擬，通過對斜溝煤礦18503工作面復用巷道進行二次注漿模擬，分析二次注漿前后巷道兩幫圍巖體的力學特性和位移變化情況。

（1）煤巖體力學參數(shù)

根據對斜溝煤礦18503工作面注漿前的取樣巖芯與注漿后的取樣巖芯分別進行實驗室力學性能測試，得出斜溝煤礦18503工作面二次注漿前后煤巖體的力學參數(shù)，如表1所示。

（2）二次注漿前后模擬分析

由圖2模擬數(shù)據分析得出：二次注漿加固后，巷道兩幫的應力峰值較二次注漿前降低了12%，由應力變化云圖可以明顯看出，二次注漿加固后的巷道應力集中現(xiàn)象得到了很大程度的降低，間接地證明二次注漿加固能夠提高破碎圍巖體的整體性，改善應力集中現(xiàn)象。

由圖3模擬數(shù)據分析得出：二次注漿加固后，巷道的最大垂直位移從931mm降低至395mm，相對于二次注漿前減少了58%之多。

由圖4模擬數(shù)據分析得出：二次注漿加固后，巷道的最大水平位移從774mm降低至272mm，相對于二次注漿前減少了66%。

表1 二次注漿前后煤巖體力學參數(shù)

5 結論

（1）根據現(xiàn)場調研與理論分析，確定復用巷道在超前支承壓力達到峰值的位置進行一次注漿加固，并于滯后采煤工作面的變形速度最大處進行二次注漿。

（2）經過現(xiàn)場工程試驗，在復用巷道水平位移方面：二次注漿加固后相對于二次注漿前減少503mm的移近量；在復用巷道垂直位移方面：二次注漿加固后相對于二次注漿前減少537mm的移近量，基本滿足現(xiàn)場要求，也進一步驗證了數(shù)值模擬的正確性。

圖2 二次注漿前后巷道應力變化云圖

圖3 二次注漿前后巷道垂直位移變化云圖

圖4 二次注漿前后巷道水平位移變化云圖