程 杰

（潞安集團(tuán)高河能源有限公司 ，山西 長治 047100）

0 引 言

煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的意義，不過伴隨著我國快速的發(fā)展，能源消費(fèi)總量日益增加，這給有限的煤炭資源帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，所以提高煤炭資源利用率、優(yōu)化煤炭開采水平越來越重要。沿空留巷的發(fā)展給煤炭資源的合理開發(fā)帶來了新的契機(jī)，無煤柱沿空留巷也在我國多個(gè)礦區(qū)得到了成功應(yīng)用，潞安集團(tuán)的高河能源、常村礦和余吾煤業(yè)也成功實(shí)施過有煤柱沿空留巷。

山西高河能源有限公司（以下簡稱“高河能源”）為設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0Mt/a的特大型生產(chǎn)礦井，對(duì)掘銜接要求很高。高河能源W1319工作面的沿空留巷即W1319進(jìn)風(fēng)順槽（原W1318進(jìn)風(fēng)順槽）部分區(qū)域在一次采動(dòng)影響后變形破壞嚴(yán)重，煤柱幫出現(xiàn)大量的錨桿錨索斷裂、退錨現(xiàn)象，頂板下沉明顯，柔模充填體多出壓裂，二次采動(dòng)影響期間巷道圍巖控制難度較高。因此，為確保W1319工作面安全回采，高河能源提出對(duì)W1319進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行煤幫和頂板整體注漿的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。在選擇注漿時(shí)機(jī)時(shí)，達(dá)到漿液在圍巖中的擴(kuò)散范圍與圍巖變形量處于平衡時(shí)最佳[1-2]，本文主要針對(duì)W1319進(jìn)風(fēng)順槽圍巖特征，通過數(shù)值模擬的方法確定合理的注漿時(shí)機(jī)，并為高河能源類似巷道圍巖控制提供一定的參考。

圖1 W1319工作面進(jìn)風(fēng)順槽示意圖

1 研究區(qū)概況

W1319工作面所采煤層為3#煤，平均煤厚6.5m，平均煤層傾角為5°，煤層埋深在450m左右。W1319進(jìn)風(fēng)順槽南邊為處于西一盤區(qū)的W1319工作面，北邊為W1318工作面采空區(qū)，西側(cè)為5條大巷并與其中的+450m水平南翼輔助運(yùn)輸大巷相通，具體巷道位置見圖1。W1319進(jìn)風(fēng)順槽沿底掘進(jìn)，隨著W1318工作面的推進(jìn)在巷道北幫鋪設(shè)柔模墻，鋪設(shè)柔模墻后巷道寬度為4000mm，高度為3850mm，一次回采后支護(hù)斷面圖見圖2。在一次采動(dòng)影響后，W1319進(jìn)風(fēng)順槽變形主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近上，分別達(dá)到了450mm、300mm左右，底板及柔模墻幫變形不大，一次回采后巷道變形特征見圖3。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

圖3 巷道變形破壞形式示意圖

2 注漿機(jī)理分析

在原巖應(yīng)力條件下，煤體內(nèi)存在大量裂隙，但這些裂隙都比較小，對(duì)煤體的承載能力影響不大。W1319進(jìn)風(fēng)順槽已經(jīng)經(jīng)過掘巷、W1318工作面回采擾動(dòng)，煤體內(nèi)原有的小裂隙得到擴(kuò)張發(fā)展成大裂隙，甚至淺部煤體破壞嚴(yán)重形成了煤塊或者顆粒，這就導(dǎo)致煤體原有的承載能力降低，錨桿索錨固能力也大大下降，受到多次擾動(dòng)影響后的巷道圍巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征總結(jié)注漿作用機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)[3]：

1）注漿漿液可以填充煤巖體內(nèi)的裂隙，增加圍巖的凝聚力，使得已經(jīng)破碎松散的圍巖重新加固成一個(gè)整體，提高了圍巖巖石力學(xué)參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)，從而控制了圍巖的進(jìn)一步變形破壞。

2）注漿能夠有效增強(qiáng)錨桿與圍巖的錨固強(qiáng)度。W1319進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)時(shí)支護(hù)的錨桿索錨固力會(huì)隨著圍巖的破碎慢慢降低，注漿后的圍巖整體性增強(qiáng)，錨桿索錨固圍巖的效果又重新得到完善。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，注漿后錨桿索錨固力甚至?xí)_(dá)到注漿前的3倍，且其衰減速度也要慢很多。

圖4 巷道圍巖結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值模擬及分析

根據(jù)前人研究得出的結(jié)論，要依據(jù)巷道圍巖特征確定注漿時(shí)機(jī)。注漿時(shí)機(jī)過早，圍巖內(nèi)裂隙、孔隙發(fā)育不充分，煤巖體吃漿量小，在二次采動(dòng)影響時(shí)注入的少量漿液達(dá)不到有效控制圍巖變形的作用；注漿時(shí)機(jī)過晚圍巖承載能力已經(jīng)嚴(yán)重破壞，巷道變形量已經(jīng)過大，此時(shí)注漿為時(shí)已晚，所以，針對(duì)沿空留巷需要在裂隙發(fā)育與巷道變形之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)[4-6]。

本文根據(jù)高河能源地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件分別模擬W1319工作面回采前巷道變形情況，以及在W1319工作面推進(jìn)前方20m、50m、80m、120m注漿時(shí)工作面前方10m位置巷道圍巖變形情況，建立的三維模型，見圖5。

圖5 數(shù)值模擬模型圖

由于W1319進(jìn)風(fēng)順槽變形量主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近上，所以在此以頂板和煤幫的變形量作為判斷注漿效果的依據(jù)。根據(jù)變形量對(duì)比圖（見圖6）可以看出，在W1319工作面前方50m左右時(shí)對(duì)W1319進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行注漿巷道變形量最小、控制效果最佳；在20m左右注漿時(shí)雖然巷道裂隙發(fā)育更加充分、吃漿量大，但是由于巷道已經(jīng)產(chǎn)生了很大變形再進(jìn)行注漿為時(shí)已晚；在80m以前注漿巷道裂隙發(fā)育尚不健全，吃漿量小，當(dāng)后期二次回采帶來巨大壓力時(shí)巷道支撐能力有限，漿液與圍巖組成的新的結(jié)合體再一次被破壞，圍巖控制效果不佳。綜合考慮，應(yīng)在工作面前方50m左右位置進(jìn)行注漿。

圖6 W1319進(jìn)風(fēng)順槽變形量對(duì)比圖

4 結(jié) 論

根據(jù)W1319進(jìn)風(fēng)順槽圍巖破壞特征與注漿機(jī)理，進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬，得出在二次回采時(shí)工作面前方50m左右位置圍巖裂隙發(fā)育程度與變形量達(dá)到平衡，并在該位置進(jìn)行注漿效果最佳，本文的研究給高河能源其他類似巷道圍巖控制起到了一定的參考作用。