采動影響巷道變形的研究及注漿時機的分析

申帥帥

（山西晉煤集團趙莊煤業， 山西 晉城 048006）

引言

對于一般條件下的采煤工作面而言，其超前支承壓力明顯大于采空區支承壓力，回采巷道的變形破壞主要受到工作面超前支承壓力的影響，然而通過現場實測和分析發現，對于大采高工作面而言，其采空區支承壓力明顯高于超前支承壓力，工作面后方留巷變形嚴重，變形多以底鼓方式呈現，留巷變形范圍大，巷道支護困難[1]。晉煤集團趙莊煤業現階段主要進行厚煤層開采，由于工作面長、采高大造成留巷變形嚴重、支護困難、難以保證正常復用。以趙莊煤業5310大采高工作面為例，簡述采動影響巷道變形破壞規律及注漿支護建議，具有一定的借鑒意義。

1 現場概況

趙莊礦5310工作面井下位于五盤區中部，5306放頂煤工作面以西，五盤區大巷以北。大采高工作面東西兩邊均為實體煤，北部與王坡礦3212工作面相鄰 。 南 臨 5106、5102、5103、5104 巷 ，5106、5102、5103、5104巷已掘進至設計位置，北至趙莊礦礦界。工作面走向長2 559.66 m，工作面傾斜長251 m；煤層平均厚度5.75 m；煤層傾角為2°～12°。5310大采高工作面共布置五條順槽，工作面西部布置三條順槽，分別為53105、53102、53104巷；東部兩條順槽為 53101、53103 巷；53101、53105 為輔助運輸巷，53105巷兼做電氣列車巷，53103巷為皮帶巷；53101、53103、53105 三巷為進風順槽，53102、53104兩巷為回風順槽，工作面尾部開鑿一條切眼和通風聯絡巷；五條巷道除53103、53104巷沿煤層底板掘進外，其他三條巷道沿煤層頂板掘進。5310工作面布置如圖1所示。

圖1 趙莊礦5310工作面布置簡圖

目前工作面后方留巷頂底板變形嚴重，多處發生漏矸、底鼓現象，頂、底板圍巖變形大，巷道支護困難。因此非常有必要對超前支護段支承壓力的分布情況進行研究，確定重點注漿區域，保證工作面正常回采。

2 變形的研究

為了能夠更清楚地分析大采高工作面超前支承壓力的分布情況，在工作面前方主撤巷道中布置巷道表面位移監測斷面，記錄工作面推近主撤巷道不同距離時巷道表面位移變化情況，如圖2所示。

圖2 主撤巷道表面位移變化曲線

由圖2可以看出，當工作面推進至距主撤巷道50 m左右時，巷道頂底板及兩幫移近量均開始有小幅度的變化，隨著工作面繼續向前推進，變化量緩慢增大，直至工作面推進至距主撤巷道20 m左右時，主撤巷道頂底板及兩幫移近量明顯增大，頂底板移近量最大值約700 mm，兩幫移近量最大值約420 mm。該現象表明：工作面超前支承壓力的影響范圍約為50 m，劇烈影響范圍約為20 m，其中在12 m位置達到峰值。

同時，為了能夠更清楚地分析大采高工作面采空區支承壓力的分布情況，在43012巷內布置巷道表面位移測站觀測工作面后方巷道變形情況，如圖3所示。

圖3 43012巷變形觀測曲線

3 注漿時機的分析

3.1 變形破壞規律

通過分析大采高工作面支承壓力的分布特征可以發現，工作面超前支承壓力的影響范圍約為工作面前方50 m，采空區支承壓力的影響范圍約為工作面后方400 m；工作面前方巷道在超前支承壓力影響下，巷道頂底板移近量最大值約為700 mm，速度最大值約為21 mm/d，而工作面后方巷道在采空區支承壓力的影響下，巷道頂底板移近量最大值約為2 200 mm，速度最大值約為75 mm/d，因此，綜合分析可將大采高工作面回采巷道變形破壞規律大致總結如圖4所示。

圖4 大采高工作面回采巷道變形分區特征

由圖4可以看出，根據大采高工作面回采巷道的變形規律，可以將其變形情況大致分為初始變形區、劇烈變形區、趨于穩定區、穩定區四個區段[2]。

1）初始變形區：工作面后方80 m至工作面前方50 m。其中工作面前方50 m范圍內巷道主要受到工作面超前支承壓力的影響，雖然也可進一步劃分為應力增高區和應力降低區，但是其變形速度遠小于工作面后方巷道的變形速度；工作面后方80 m范圍內巷道變形速度不大，基本與工作面前方50 m范圍內的巷道變形速度持平。該范圍巷道圍巖內部裂隙不發育，貫通性差。

2）劇烈變形區：工作面后方80～300 m。該范圍內巷道變形速度急劇增大，達到峰值后又緩慢減小，變形速度大、范圍大是造成巷道在工作面后方變形嚴重的主要原因。該范圍巷道圍巖破壞嚴重，裂隙極其發育、開度大、貫通性好，極適于漿液流通，但同時也會由于圍巖破碎嚴重造成明顯的漏漿現象。

3）趨于穩定區：工作面后方300～400 m。該范圍內巷道變形速度已經明顯減小，且速度曲線明顯變緩，巷道逐漸趨于穩定。

4）穩定區：工作面后方400 m以后。該范圍內采空區上覆巖層運動基本穩定，巷道表面位移基本不再變化。

3.2 注漿時段

根據工作面回采巷道變形規律及漿液滲流特性，可以大致將其分為四個注漿時段，如圖5所示。

圖5 大采高工作面回采巷道注漿加固時機

1）注漿第一時段。第一時段在巷道初始變形區之前，這一階段基本不受采動影響，加上原有支護的作用，巷道變形量較小，圍巖內部裂隙不發育，貫通性差，因此注漿量較小，在這一注漿時段進行注漿，雖然對控制初始變形區巷道變形量有一定作用，但是對于復用巷道而言，考慮到后期劇烈變形區過后圍巖發生更嚴重的破壞，是不經濟的[3]。根據以往注漿治理經驗，這一階段巷道兩幫注漿漿料1.4 t/m左右。

2）注漿第二時段。第二時段位于初始變形區，即工作面后方80 m到工作面前方50 m范圍，這一階段受到工作面采動影響，巷道有一定程度的變形，圍巖內部裂隙較為發育，但是巷道變形并不劇烈，圍巖破壞不深，錨桿、錨索大部分完好，整體承載性能并未失去。在這一階段進行注漿，注漿壓力適中，注漿量大，使淺部破碎煤體膠結形成再承載層，阻止破壞進一步向深部擴展，可以有效降低劇烈變形區域圍巖破壞程度，減小后期巷道翻修工程量。因此，在這一時段進行注漿加固是經濟合理的。

3）注漿第三時段。第三注漿時段位于劇烈變形區，即工作面后方80 m到工作面后方300 m范圍內，這一階段經受多次周期來壓影響，是巷道變形的主要區域，如果未采取提前加固措施，錨桿、錨索大部分破斷，失去承載性能，兩幫、底板鼓出嚴重，頂板也有一定的下沉，圍巖極為破碎，內部離層、裂隙極為發育。在這一階段進行注漿，注漿壓力小，注漿量極大，漏漿嚴重，伴隨有片幫和煤幫整體鼓出。因此，在這一階段，會消耗大量的注漿材料，圍巖承載能力基本消耗殆盡，并且大部分錨桿、錨索需要重新打設，不僅注漿效果不好，而且極不經濟。

4）注漿第四時段。第四時段位于趨于穩定區和穩定區之間，即工作面后方300m到工作面后方400m之間，該時段內圍巖采動影響已經基本結束，圍巖變形趨于穩定，在該時段注漿，注漿量較大，有利于提高巷道承受二次采動影響的能力，但是單一只對這一區域注漿作用與注漿第一時段類似，意義不大，必須與第二注漿時段相配合，并進行錨索補強，可以有效減輕穩定期內巷道圍巖長期蠕變的影響。

4 現場效果

采動影響巷道注漿加固前后的變形曲線對比如圖6所示。

圖6 采動影響巷道注漿加固前后變形規律曲線

由圖6可以看出，巷道在初始變形區的后段進行了一次注漿之后，產生最明顯的效果是巷道的劇烈變形區范圍明顯減小，變形程度也有所降低；巷道在變形穩定區和趨于穩定區之間經過了二次注漿之后，在經歷二次采動影響時，變形程度和范圍都明顯減小，說明注漿加固對控制采動影響巷道的變形起到了較好的效果，且選取注漿時機較為合理。

5 結論

對于復用巷道而言，最理想的注漿加固時機可以確定為兩個：一次注漿是在巷道初始變形區的后部，在巷道圍巖產生初期變形時，利用注漿加固的方式，提高巖體的整體穩定性和承載能力，避免采動作用造成圍巖完全破壞，以承受下一階段的劇烈變形影響，在該階段最好配合巷幫、頂板，以及底板錨桿和錨索補強；二次注漿是在巷道變形穩定區和趨于穩定區之間，此時巷道經過了一次注漿加固和劇烈變形區影響，圍巖在高應力作用下產生劇烈破壞變形，此次注漿的目的在于提高圍巖承載能力，以抵抗二次采動影響。