15212 工作面回風順槽松軟破碎圍巖加固研究

李 鵬

（山西高平科興龍馬煤業有限公司，山西 高平 048400）

由于煤層賦存條件的多樣性，部分工作面回采巷道的圍巖存在較多裂隙及軟弱結構面，在這種條件下掘進回采巷道將會導致回采巷道支護困難[1-3]，巷道圍巖裂隙迅速發育，進而導致巖體擴容，巷道變形嚴重，使應力集中位置向巷道兩幫深部轉移，進而使得圍巖鄰空面附近裂隙進一步擴展，導致鄰空面兩幫承載能力降低[4-5]。松軟破碎的圍巖體在工作面回采引起的超前應力和側向應力的影響下會出現片幫、大變形的不良特征，此時若沒有合理有效的強支護手段介入，將會導致巷道圍巖出現更加劇烈的變形，嚴重時導致順槽無法正常使用[6-7]?；谏鲜鲰槻鄞嬖诘囊幌盗袉栴}，研究表明：松軟破碎圍巖行之有效的補強支護方式為注漿加固，其基本原理為通過注漿的方式增強軟弱結構面的黏聚力及圍巖的內摩擦角，強化松散圍巖的一體性，提升采掘影響段巷道破碎圍巖的承載能力[8]。

1 工程背景

游仙山煤礦15212 工作面位于+810 m 水平二采區，開采15號煤層，傾角1°～7°，平均厚度4.1 m，普氏硬度系數f為2～3。工作面平均埋深200 m，傾向長152 m，走向長度802 m，回采巷道均沿15 號煤層頂板布置。15212 回風順槽矩形斷面，掘寬5.2 m，掘高4.2 m，采用錨、網、索噴聯合支護。頂底板巖層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 15 號煤層頂底板巖層綜合柱狀圖

本文以回風順槽松軟破碎構造圍巖大變形為研究對象，對圍巖變形規律、注漿加固機理和漿液擴散規律進行研究。

2 數值模擬

2.1 模型建立

通過3DEC 軟件建立數值模型，研究注漿壓力與漿液擴散半徑及規律的關系。結合泵站設備注漿參數范圍，設置不同的注漿壓力梯度，分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa 共六種不同參數，分析注漿壓力不同時漿液擴散半徑的差異性。

2.2 模擬結果分析

對圖2 的模擬結果分析可知，在注漿壓力為1.0 MPa 時，注漿液的擴散半徑僅為1.0 m 左右；當注漿壓力增加到2.0 MPa 時，注漿液的擴散半徑為1.5 m，在注漿壓力較小時，注漿壓力增加1.0 MPa，注漿液擴散半徑明顯增加了50%；當注漿壓力為3.0 MPa 時，漿液擴散半徑為1.95 m，注漿壓力從2.0 MPa 增加到3.0 MPa 時漿液擴散半徑增加了30%；當注漿壓力為4.0 MPa 時，漿液擴散半徑為2.35 m，注漿壓力從3 MPa 增加到4.0 MPa 時漿液擴散半徑增加了20.5%；當注漿壓力為5.0 MPa 時，漿液擴散半徑為2.73 m，注漿壓力從4.0 MPa 增加到5.0 MPa 時漿液擴散半徑增加了16.2%；當注漿壓力為6.0 MPa 時，漿液擴散半徑已經為3.0 m，注漿壓力從5.0 MPa 增加到6.0 MPa 時漿液擴散半徑增加了9.9%。分析注漿液在裂隙內流動過程可知，注漿液在外源壓力作用下滲流進入周圍破碎圍巖體的結構面或裂隙中，擴展形式為漿液以鉆孔為中心逐漸向周圍擴散，漿液的擴散半徑隨著注漿壓力的增大逐漸增大。就擴散半徑這一參數來看，注漿壓力在1.0～3.0 MPa 范圍內注漿液擴散半徑的增長范圍遠大于注漿液在4.0～6.0 MPa 范圍內注漿液的增長值，說明在壓力較小時，漿液擴散范圍對注漿壓力的變化更加敏感。隨著漿液不斷進入巖體，在注漿口壓力的推動下漿液逐漸向外擴散。由于漿液黏性、巖體孔隙流動時摩擦阻力和局部阻力的存在，使得漿液在破碎圍巖體內流動過程中形成明顯的壓力梯度，較為明顯的特征為漿液在鉆孔附近即漿液進入巖體初始期壓力降低程度大，在遠離鉆孔的遠端漿液壓力降低程度小，即巖體內漿液的擴散半徑增長程度隨注漿壓力的增大呈減小趨勢。綜合分析，注漿壓力為4.0～6.0 MPa 時，漿液的擴散半徑為2.3～3.0 m，可以達到工程要求。

圖2 不同注漿壓力漿液擴散圖

3 工程應用

3.1 注漿方案設計

1）注漿深度。15212 工作面回風順槽注漿孔鉆孔均垂直于煤壁和頂板，孔深3.0 m。注漿材料主要包括水、普通硅酸鹽水泥、混凝土外加劑以及固化劑。

2）注漿壓力。注漿壓力4～6 MPa。

3）擴散半徑。漿液擴散半徑受注漿壓力、漿液黏度等漿液參數、巖體裂隙發育程度及在巖體內分布范圍等眾多因素的影響，根據數值模擬及工程類比結果，確定注漿壓力為4～6 MPa 時漿液的擴散半徑為2.3～3.0 m，可滿足工程使用需求。

4）注漿孔布置。巷道斷面上布置7 個注漿鉆孔，孔深3.0 m。注漿鉆孔的位置及巷內支護如圖3。

圖3 巷道支護斷面圖（mm）

頂板采用錨桿壓鋼帶網支護，采用Ф18 mm×2500 mm 螺 紋 鋼 錨 桿，間 排 距1000 mm×1000 mm，每排6 個錨桿，頂部錨索型號為Ф17.8 mm 預應力錨索線，長度8300 mm，間排距1200 mm×2000 mm；頂板布置3 個注漿孔，注漿孔Ф42 mm×3000 mm，間排距2100 mm×2000 mm。每幫布置4 個錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，巷道幫角錨桿向外傾斜15°，兩幫各布置2個注漿孔。

3.2 支護效果分析

現場對回風順槽注漿段及支護方案進行檢驗，布置測站監測巷道變形量。監測數據如圖4。

根據圖4 圍巖位移監測曲線可知，對回風順槽進行注漿加固并進行錨桿錨索聯合支護措施，距離工作面越近巷道變形量越大，在工作面處巷道頂底板變形量最大為700 mm，兩幫變形量最大為246 mm，巷道變形量在可控范圍，滿足生產安全需要。

4 結論

1）根據數值模擬和現場實踐，確定15212 工作面回風順槽注漿壓力4～6 MPa，同時設計了錨桿（索）聯合支護。

2）根據現場對注漿巷道的變形量監測分析，兩幫最大變形量為246 mm，頂底板最大變形量為700 mm，達到回采巷道的使用要求。