張 偉

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 工程背景

王坡煤業(yè)現(xiàn)主要開采3#煤層，3#煤層位于二疊系山西組地層的中下部，均厚5.5m，傾角2～10°，3#煤層直接頂為均厚3.5m的黑色泥巖，基本頂為均厚6.7m的砂巖，直接底為均厚2.6m的泥巖，老底為均厚4.4m的中砂巖。現(xiàn)正在開采3209工作面，3209工作面東邊為已開采的3207工作面采空區(qū)。

3207工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動穩(wěn)定后，留設(shè)18m煤柱，沿著3207工作面采空區(qū)掘進(jìn)3209回風(fēng)順槽，3209回風(fēng)順槽沿著3#煤層底板掘進(jìn)，采用高為3.4m、寬為4.5m的矩形斷面，錨網(wǎng)梁支護(hù)形式，頂板布置5根錨桿、3根錨索，錨桿間排距為950mm×1000mm，錨索間排距為1250mm×1000mm；兩幫每幫布置4根錨桿，錨桿間排距為900mm×1000mm；錨桿選用Φ22×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索選用Φ22mm×7300mm的預(yù)應(yīng)力錨索。

3209回風(fēng)順槽在沿空掘進(jìn)期間，受到3207采空區(qū)覆巖懸臂結(jié)構(gòu)的影響，巷道圍巖出現(xiàn)一定變形量，但圍巖總體保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)3209工作面回采時，受到回采動壓影響，3209回風(fēng)順槽圍巖變形加劇，工作面前方巷道斷面收縮嚴(yán)重，圍巖破碎程度增加，頂?shù)装逡平孔疃嗫蛇_(dá)到700～800mm，兩幫移近量最大可達(dá)到1100～1300mm，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用，需要采取一定手段進(jìn)行維護(hù)。

2 3209回風(fēng)順槽變形破壞機(jī)理分析

根據(jù)3209工作面工程地質(zhì)條件及生產(chǎn)實(shí)際情況，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，模型長182.5m、寬90m、高64m，在模型上部邊界施加9.4MPa的垂直應(yīng)力，模擬上覆巖層自重，固定模型左右邊界水平方向位移及模型底部豎直方向位移，采用莫爾庫倫本構(gòu)模型，所選的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。對3207工作面開挖計算平衡后進(jìn)行3209工作面的回采，同時記錄圍巖應(yīng)力變化。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

（1）回采期間垂直應(yīng)力分布

將3209工作面前方不同位置巷道兩幫垂直應(yīng)力分布情況繪制成如圖1所示曲線。由圖1可知，回采期間在煤柱幫及工作面幫均出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，且煤柱幫垂直應(yīng)力峰值均大于工作面幫，在工作面前方5m、15m、25m、35m處，巷道煤柱幫的垂直應(yīng)力峰值分別為32.2MPa、33.4MPa、32.8MPa、32MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為3.12、3.23、3.19、3.1，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本出現(xiàn)在距離采空區(qū)9～10m范圍；巷道工作面幫的垂直應(yīng)力峰值分別為 6.6MPa、28.4MPa、22.1MPa、19.3MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為0.65、2.67、2.21、1.78，工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力峰值出現(xiàn)在距離巷道幫3～9m范圍；不論是煤柱側(cè)還是工作面?zhèn)?，且隨著工作面的推進(jìn)，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，距離工作面前方15m兩幫的垂直應(yīng)力最大。通過上述分析可知，3209工作面回采超前動壓影響范圍為工作面前方35m區(qū)域內(nèi)，且工作面前方15m垂直應(yīng)力值最大，工作面?zhèn)却怪睉?yīng)力峰值隨回采的推進(jìn)變化較大，出現(xiàn)大幅度的應(yīng)力變化，而煤柱側(cè)則受回采動壓影響較小。

圖1 工作面前方不同位置巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線圖

（2）回采期間水平應(yīng)力分布

將3209工作面前方不同位置距巷道表面不同距離水平應(yīng)力分布情況繪制成如圖2所示曲線。由圖2可知，工作面前方5m、15m、25m、35m處，巷道表面的水平應(yīng)力峰值分別為21.5MPa、27.5MPa、28.2MPa、28.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.1、2.52、2.62、2.65，水平應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷道表面6～9m處，當(dāng)距離工作面15m以上時水平應(yīng)力基本保持不變，因而3209工作面回采對巷道產(chǎn)生動壓影響范圍為工作面前方0～15m。

圖2 工作前方不同位置距巷道表面不同距離水平應(yīng)力分布曲線圖

綜合上述數(shù)值計算分析可知，造成3209回風(fēng)順槽變形破壞的主要原因有：巷道留頂煤沿底掘進(jìn)，巷道圍巖主要為強(qiáng)度較低的3#煤層，因而抵抗變形能力較差；受到3209工作面回采超前動壓影響及采空區(qū)殘余支承壓力影響，煤柱幫和工作面幫兩側(cè)的垂直及水平應(yīng)力集中，造成圍巖破碎；原支護(hù)系統(tǒng)主要為錨桿支護(hù)，隨著巷道圍巖塑性區(qū)的增大，錨桿失去有力的著力點(diǎn)，無法有效控制圍巖變形。

3 3209回風(fēng)順槽注漿加固方案

針對巷道圍巖破碎，原支護(hù)系統(tǒng)失效的問題，通過注漿加固作用，將注漿材料滲透進(jìn)入破碎圍巖，將其膠結(jié)為一個整體，提高圍巖的承載能力，為錨桿提供著力基礎(chǔ)，發(fā)揮其支護(hù)效果，以達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定的目的。

（1）高水材料參數(shù)確定

本次注漿材料選用高水材料，針對不同漿液水灰比（1.5:1、1.8:1、2.0:1）和不同的煤體粒徑（＜5mm、5～20mm、＞20mm）對膠結(jié)強(qiáng)度的影響，進(jìn)行分析對比試驗(yàn)，得到如下結(jié)果：在煤體粒徑不變的情況下，固結(jié)試塊的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小，當(dāng)水灰比為1.5:1時，試件的抗壓強(qiáng)度為2.4MPa，而水灰比增大到2.0:1時，試件的抗壓強(qiáng)度僅為1MPa；同樣，在水灰比相同的情況下，當(dāng)膠結(jié)試件中粒徑較大煤體所占比例越高時，試件的抗壓強(qiáng)度越大，＞20mm粒徑比例由19%增大到31%時，試件的抗壓強(qiáng)度可由1.5MPa增加到2.4MPa。通過注漿加固可有效提升破碎圍巖的殘余強(qiáng)度。

（2）注漿加固方案確定

針對破碎圍巖巷道提出三種不同注漿加固方案，通過數(shù)值模擬分析其圍巖控制效果，以確定最佳方案。方案①對煤柱幫及頂板采用注漿管進(jìn)行淺部注漿；方案②對頂板采用淺部注漿與注漿錨索相結(jié)合方式，對煤柱幫進(jìn)行注漿管淺部注漿；方案③對頂板采用淺部注漿與注漿錨索相結(jié)合的方式，對煤柱幫進(jìn)行注漿錨索注漿。不同注漿方案圍巖變形量如表2所示。

表2 不同注漿方案圍巖變形量

由表2可知，采用方案①的注漿加固方案，圍巖變形得到一定的控制，但頂板下沉量及兩幫位移量均大于后兩個方案；方案②與方案③的區(qū)別在于煤柱幫由淺部注漿改為錨索注漿，頂板下沉量由428mm進(jìn)一步減小到396mm，煤柱幫位移量由416mm減小到320mm，說明對煤柱幫采用錨索注漿不僅可以減小煤柱幫位移量，同時對巷道頂板控制起到一定促進(jìn)作用。

4 工程應(yīng)用

本次注漿材料選擇ZKD高水速凝材料，該材料具有凝固時間可調(diào)節(jié)、滲透性強(qiáng)、膠結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。高水速凝材料主要由甲料、乙料、加甲料、加乙料等構(gòu)成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)論及現(xiàn)場施工實(shí)際情況，選用1∶1.5的水灰比，淺部注漿孔注漿壓力為2MPa，注漿錨索注漿壓力為5MPa。距離巷道兩幫1500mm沿頂板布置兩個淺部注漿孔，兩孔間距為1500mm，均垂直于巷道頂板布置，鉆孔深度為2500mm，Φ42mm；距離巷道兩幫布置兩個與水平方向呈70°的注漿錨索孔，巷道中央垂直布置一個注漿錨索孔，鉆孔深度為8000mm，Φ32mm；頂板淺部注漿孔與錨索注漿孔呈“二三二”間隔布置；在煤柱幫距巷道頂板700mm、底板1400mm與水平方向呈10°分別布置兩個注漿錨索孔，鉆孔深度為5000mm，Φ32mm。整個鉆孔布置方案如圖3所示。

圖3 鉆孔布置方案圖（單位：mm）

注漿加固方案施工后，對3209回風(fēng)順槽頂板下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場礦壓觀測，繪制如圖4所示的巷道圍巖變形曲線。如圖4所示，距離工作面50m開始，巷道圍巖開始出現(xiàn)變形，通過注漿加固，巷道頂板下沉量控制在400mm以內(nèi)，兩幫移近量控制在700mm以內(nèi)，與未注漿加固相比較，巷道圍巖變形得到有效控制，滿足了礦井生產(chǎn)需求。

圖4 巷道圍巖變形曲線

5 結(jié)語

（1）通過數(shù)值計算可知，回采期間在超前支承壓力影響下，沿空巷道頂板、兩幫塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，圍巖破碎程度增加，巷道表面出現(xiàn)裂隙，圍巖呈軟弱、松散、破碎狀態(tài)，頂板出現(xiàn)離層錯動，錨索支護(hù)失效，巷道無法保持穩(wěn)定。

（2）針對巷道圍巖變形破壞機(jī)理和特征，采用頂板淺部注漿加固和錨索注漿、煤柱幫錨索注漿的巷道注漿加固方案，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用注漿加固后能顯著提高圍巖承載能力，控制巷道圍巖變形，巷道變形量滿足回采期間巷道使用要求。