動壓影響巷道圍巖注漿加固技術研究

李昱輝

(山西煤炭運銷集團 盛泰煤業有限公司，山西 晉城 048400)

煤礦巷道穩定性一直是采礦行業關注的重點問題之一，其中動壓影響下巷道圍巖穩定性又是其中的難點。由于受到巷道掘進以及相鄰工作面回采的多次影響，巷道圍巖應力分布復雜，圍巖變形大，支護困難，給礦井安全生產造成一定的影響。因此針對動壓巷道變形特征，采取有效的圍巖加固方法具有重要的現實意義。

1 工程概況

永紅煤礦主采3號煤層，平均厚度6.26 m，平均埋深280 m，煤層傾角平均3.5°，為近水平開采煤層。煤層結構簡單，頂板為黑灰色粉砂巖、泥巖，易垮落；底板為深灰、黑灰色泥巖。該礦井下有沿礦界布置的3條主下山，分別為回風下山、膠帶下山和材料下山。3條下山布置如圖1所示，3條下山支護方式均為砌碹支護?；仫L下山以北為相鄰煤礦工作面采空區，材料下山以南為回采工作面。3條下山受多次采動影響，圍巖嚴重變形，嚴重影響著工作面的安全生產，現場巷道破壞如圖2所示。

圖1 3條下山位置示意

圖2 巷道圍巖破壞情況

2 數值模擬研究

2.1 數值模型的建立

根據鉆孔柱狀圖建立FLAC3D數值計算模型，如圖3所示。模擬煤層傾角為0°，模型尺寸：長×寬×高=250 m×20 m×70 m。模型共劃分16 000個單元，32 522個節點。模型頂部為應力邊界，施加上覆巖層重力5.5 MPa，側壓系數為1；底部為位移邊界，限制垂直位移；左右邊界限制水平位移。計算時采用的煤巖物理力學參數為實驗室實測結果，見表1。

表1 煤巖物理力學參數

圖3 數值計算模型

2.2 模擬結果分析

2.2.1 掘進后下山圍巖破壞情況

掘巷后下山巷道圍巖塑性區分布如圖4所示。下山掘出后圍巖應力重新分布，受集中應力的影響，在頂底板及兩幫均出現一定范圍的塑性區，且范圍大致相同，均為3.5～4.0 m；由于3條下山間煤柱較寬，掘進期間互相影響較弱。

圖4 掘巷后下山巷道圍巖塑性區分布

2.2.2 一次采動后下山圍巖破壞情況

一次采動后下山巷道圍巖塑性區分布如圖5所示?？芍?，3條下山受工作面采動影響，圍巖破壞范圍均有一定程度上的增加，其中，由于相鄰煤礦工作面在回風下山一側，所以回風下山巷道圍巖塑性區范圍增大比較明顯，其左幫圍巖塑性區范圍達到7 m，與掘巷后相比增加了3 m，右幫圍巖塑性區增加了2 m。

圖5 一次采動后下山巷道圍巖塑性區分布

2.2.3 二次采動后下山圍巖破壞

二次采動后下山巷道圍巖塑性區分布如圖6所示?？芍?條下山受二次采動的影響，下山巷道圍巖破壞范圍進一步增加。由于本工作面在材料下山一側，所以材料下山巷道圍巖塑性區范圍增大比較明顯，其左幫圍巖塑性區范圍為5.5 m；右幫圍巖塑性區范圍為7.5 m，與一次采動后相比增加了3.5 m，變化比較明顯。

圖6 二次采動后下山巷道圍巖塑性區分布

綜上分析，3條下山開挖后，在頂底板及兩幫均出現一定范圍的塑性區，且范圍大致相同。受到相鄰工作面回采的影響，下山的塑性區破壞范圍進一步增加，尤其對于回風下山和材料下山靠近回采工作一側的影響最大，必須要進行補強加固。

3 注漿加固技術

注漿是巷道圍巖加固的一種有效方法，其實質就是向存在大量裂隙的破碎煤巖體內注入漿液，使破碎的煤巖體重新膠結成整體，提高自承載能力，從而提高巷道圍巖的穩定性。

3.1 注漿材料的選型

注漿材料選用ZKD高水速凝材料，該材料能在高水灰比條件下快速凝結并固化成為有一定強度的固結體，具有用水量大，固結料用量少等優點。

3.2 注漿工藝

由于ZKD型高水速凝材料分主料和配料兩部分，兩部分分別加水攪拌不凝固，混合后迅速凝固；考慮到井下施工條件限制、難以嚴格控制注漿時間等，最終選擇雙液注漿系統，將主料和配料兩部分分別加水攪拌，分別由泵送入巷道破碎巖體內部。

3.3 注漿參數選擇

1) 水灰比。綜合考慮現場條件，設定注漿漿液水灰比1.4∶1。

2) 注漿壓力。注漿時先零壓力充填大的裂隙空間，當大的裂隙空間充填結束后再進行注漿，注漿壓力設定為2.0～2.5 MPa。

3) 注漿量。單孔注漿量根據下式計算：

Q=AHπL2βλ

式中：A為漿液損耗系數，1.3～1.5；H為注漿管有效長度，m；L為漿液擴散半徑，m；β為孔隙率，1%～5%；λ為漿液的充填系數，0.6～1.0。

4) 注漿孔布置。為了確保漿液能夠均勻滲透到破碎圍巖中，3條下山注漿孔布置如圖7所示，沿巷道延伸方向間隔2 m，每個斷面布置6個孔，頂板注漿孔與豎直方向夾角45°，垂直頂板向上；幫部注漿孔左右各布置2個，間距1 000 mm。注漿孔直徑42 mm，孔深2 400 mm。

圖7 注漿孔布置示意(mm)

注漿管采用長1.5 m、直徑20 mm的鋼管，如圖8所示，封孔長度為1.2 m，在里段1.20 m和1.35 m處分別打D6 mm的漿液擴散孔，外端加工30 mm螺紋，注漿作業完成后作錨桿使用。

圖8 注漿管加工示意(mm)

4 注漿效果分析

為了進一步驗證注漿效果，采用鉆孔窺視儀對注漿試驗段巷道圍巖進行觀測，分析巖體膠結效果。在試驗段巷道圍巖中隨機采取煤巖樣，檢查圍巖注漿后的膠結情況。

由于篇幅所限僅選取了材料下山頂板2 m、回采側幫部2 m位置處注漿前后巖體內部結構進行分析，如圖9所示。由圖可以看出，材料下山頂板未注漿前較為破碎，注漿后明顯看出巖體膠結成為了一個整體，進一步提高了下山巷道頂板的穩定性；回采幫受到采動影響最大，注漿前幫部圍巖破損嚴重，注漿后將周圍破損巖體進行了膠結，增強了幫部巖體強度。

圖9 材料下山圍巖注漿前后內部結構變化

圖10為材料下山試驗段巷道頂板取出的膠結塊體，可以看出，材料下山試驗段巷道圍巖注漿后，頂板破碎巖體內部裂隙已經被漿液充填，重新膠結為整體，且具有一定的強度，充分證明注漿效果良好，下山巷道圍巖強度提高。

圖10 材料下山試驗段巷道頂板注漿效果

5 結 語

1) 通過對動壓影響下3條下山進行數值模擬分析，下山巷道受到工作面回采影響較大，靠近工作面側圍巖變形最為嚴重。

2) 采取注漿加固措施來保證圍巖穩定性，并對注漿材料選擇、注漿孔布置、注漿量、注漿工藝等進行了詳細介紹。

3) 通過對注漿前后巷道頂板窺視，注漿后圍巖現場取樣分析，得出通過對下山破碎區域進行注漿加固，破碎巖體實現了充分膠結，圍巖強度進一步加強。