段三平

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程概況

1.1 工作面概況

王莊煤礦5216綜放工作面主采3號(hào)煤層，工作面平均煤厚6.9 m，煤層含3～4層加矸，工作面直接頂巖性為泥巖，平均厚度3.5 m，老頂巖性為細(xì)砂巖，平均厚度為6.7 m，工作面直接底巖性為泥巖，平均厚度2.6 m，老底巖性為中砂巖，平均厚度4.5 m，位于礦井52采區(qū)，工作面高程區(qū)間為610～660 m。工作面運(yùn)輸巷為沿空掘巷，臨近5208采空區(qū)，保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸為18 m，巷高3.2 m，巷寬4.5 m，矩形斷面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 500 m，沿煤層底板掘進(jìn)。圖1為5216工作面布置平面圖。

圖1 5216工作面布置平面圖

1.2 支護(hù)概況

圖2 為5216綜放工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)的支護(hù)斷面及參數(shù)，運(yùn)輸巷頂板支護(hù)采用6根錨桿以800 mm×800 mm的間排距打設(shè)固定，再以1 250 mm×1 600 mm的間排距打設(shè)3根大孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)；巷幫采用5根錨桿以700 mm×800 mm的間排距打設(shè)固定，兩側(cè)巷幫支護(hù)相同。這種支護(hù)形式能夠滿足5216運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間的支護(hù)需求，工作面進(jìn)入到回采階段，受采煤活動(dòng)的動(dòng)壓，采空區(qū)側(cè)壓以及巷道承壓的應(yīng)力集中影響，巷道在高應(yīng)力集中區(qū)域變形量加劇，出現(xiàn)冒頂、片幫的現(xiàn)象，巷道圍巖位移嚴(yán)重，這種情況在工作面回采一段時(shí)間以后進(jìn)一步惡化，此時(shí)工作面向外50 m范圍內(nèi)增加了單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng)，但是巷道圍巖位移變形的情況仍然無(wú)法遏制[1-2]。工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得，最大頂板下沉量已達(dá)700 mm，兩側(cè)巷幫最大位移量已達(dá)1 000 mm，5216運(yùn)輸巷的巷道變形問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到工作面的生產(chǎn)效率及安全性，需要采取措施對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 5216運(yùn)輸巷支護(hù)斷面及參數(shù)

2 巷道變形分析及加固方案

2.1 巷道變形原因分析

由于5216運(yùn)輸巷臨近采空區(qū)，雖然留設(shè)較大尺寸的保護(hù)煤柱，但在工作面進(jìn)行回采時(shí)還是會(huì)受到側(cè)面采空區(qū)支撐壓力的影響，再加上回采動(dòng)壓以及超前承壓，導(dǎo)致工作面高應(yīng)力集中，造成5216運(yùn)輸巷變形嚴(yán)重。為進(jìn)一步對(duì)工作面回采時(shí)巷道圍巖受應(yīng)力影響而位移破碎的機(jī)理，利用數(shù)值仿真計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)5216運(yùn)輸巷在工作面回采時(shí)的圍巖位移量分布情況進(jìn)行詳細(xì)分析[3-5]。根據(jù)工作面巖性參數(shù)進(jìn)行仿真建模，巖性參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)建立的數(shù)值計(jì)算仿真模型，對(duì)5216運(yùn)輸巷進(jìn)行力學(xué)仿真模擬，并生成對(duì)應(yīng)的圍巖位移區(qū)域分布，圖3為工作面前方5 m處巷道圍巖位移區(qū)分布；圖4為工作面前方25 m處巷道圍巖位移區(qū)分布。

經(jīng)分析，巷道圍巖的位移范圍跟工作面距離遠(yuǎn)近有關(guān)，距離越近位移范圍越大，反之減小。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫的圍巖位移受工作面回采影響較大，巷道兩幫圍巖承壓越大，位移范圍及位移量就越大[6-8]，由圖3、圖4可知，在工作面前方5 m處，運(yùn)輸巷頂板和近煤柱側(cè)巷圍巖受影響較大，圍巖位移范圍也隨之變大，位移量最大時(shí)已超出運(yùn)輸巷原支護(hù)范圍；在工作面前方25 m處，運(yùn)輸巷頂板和近煤柱側(cè)巷幫已基本不受工作面超前承壓的影響，頂板圍巖及近煤住側(cè)巷幫圍巖位移范圍較小。

圖3 5216運(yùn)輸巷工作面前方5 m位移區(qū)分布

圖4 5216運(yùn)輸巷工作面前方25 m位移區(qū)分布

通過(guò)對(duì)數(shù)值仿真計(jì)算軟件FLAC3D仿真計(jì)算成果，并結(jié)合5216工作面的地質(zhì)資料的綜合分析，確定5216工作面在回采期間運(yùn)輸巷巷道圍巖位移量大的主要因素主要為以下4點(diǎn)：

1）工作面地質(zhì)條件因素。5216工作面煤層的直接頂和直接底為泥巖，巖性較軟，穩(wěn)定性差，承壓能力弱，5216運(yùn)輸巷沿底掘進(jìn)，巷道圍巖承壓能力不足。

2）受采空區(qū)側(cè)向壓力影響。在5216工作面進(jìn)行回采活動(dòng)時(shí)，巷道圍巖受影響產(chǎn)生松動(dòng)，運(yùn)輸巷近煤柱側(cè)巷幫圍巖經(jīng)側(cè)向來(lái)壓后產(chǎn)生位移，造成巷道變形加劇。

3）受工作面超前承壓影響。工作面回采時(shí)，運(yùn)輸巷圍巖受到工作面超前承壓與回采動(dòng)壓的進(jìn)一步破壞，巷道頂板圍巖大幅下沉。

4）支護(hù)失效。數(shù)值仿真計(jì)算模擬結(jié)果顯示，5216運(yùn)輸巷巷道圍巖在工作面回采期間，由于破碎和位移量較大，導(dǎo)致原巷道支護(hù)范圍不足以對(duì)破碎圍巖形成有效支護(hù)作用，巷道圍巖位移量及范圍隨之變大。

2.2 工作面注漿加固

5216運(yùn)輸巷原有的支護(hù)形式在工作面回采期間已無(wú)法滿足巷道的支護(hù)需求，給工作面的安全生產(chǎn)造成很大的影響。為提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，增加巷道圍巖的承壓能力，在巷道原有支護(hù)基礎(chǔ)上，決定對(duì)工作面進(jìn)行注漿加固，通過(guò)對(duì)巷道注入高強(qiáng)度的速凝漿液充分填充圍巖破碎裂隙，改善巷道圍巖的力學(xué)特性，提升巷道圍巖的整體性及承壓能力。對(duì)巷道圍巖破碎位移的因素分析及模擬計(jì)算，結(jié)合工作面回采時(shí)巷道圍巖承壓需求，確定本次注漿加固工程的具體方案：

1）注漿鉆孔設(shè)計(jì)。如圖5所示，5216運(yùn)輸巷頂板采用淺層注漿并結(jié)合注漿錨索進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)布置淺層注漿鉆孔2個(gè)，孔徑42 mm，孔深為2.5 m，孔間距為1.5 m×1.6 m，注漿錨索設(shè)計(jì)3根，孔徑32 mm，孔深8 m，孔間距為1.25 m×1.6 m，注漿錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)為28 MPa；運(yùn)輸巷煤柱側(cè)巷幫設(shè)計(jì)布置注漿錨索2根，孔徑32 mm，孔深5 m，孔間距為1.1 m×1.6 m，注漿錨索預(yù)緊力設(shè)計(jì)為28 MPa。

圖5 5216運(yùn)輸巷注漿加固方案布置圖

2）漿液配比。5216運(yùn)輸巷注漿加固材料選擇高強(qiáng)度水泥、懸浮劑、石膏、石灰、速凝劑以及緩凝劑，并根據(jù)材料特性將上述材料分為2類，Ⅰ類材料為高強(qiáng)度水泥、懸浮劑、緩凝劑；Ⅱ類材料石膏、石灰、懸浮劑、速凝劑。為在進(jìn)行注漿漿液配比時(shí)，Ⅰ類材料混合配比與Ⅱ類材料混合配比，通過(guò)配比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在漿液的水灰配比在1.5∶1時(shí)，可達(dá)到最佳使用效果。

3）注漿壓力。根據(jù)5216運(yùn)輸巷圍巖的破碎程度以及注漿材料的特性分析，確定巷道頂板淺層注漿孔注漿壓力為1～2 MPa，注漿錨索的注漿壓力最大不能超過(guò)5 MPa。

4）注漿量。為使注漿加固效果最大化，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿活動(dòng)時(shí)，要確保巷道注漿充分，注漿壓力達(dá)標(biāo)后，觀察注漿孔變化情況，當(dāng)出現(xiàn)漿液滲出時(shí)方可停止注漿。具體的單孔注漿量可由公式（1）計(jì)算得出：

式中：Q為注漿孔的單孔注漿量，m3；L為注漿孔鉆進(jìn)方向上加固范圍長(zhǎng)度，m；A為注漿時(shí)的材料消耗系數(shù)，取值1.2～1.5；β為破碎圍巖裂隙率，取值1%～5%；R為漿液擴(kuò)散半徑，m。5216運(yùn)輸巷注漿加固工程工序流程圖如圖6所示。

圖6 5216運(yùn)輸巷注漿加固流程圖

3 效果分析

5216工作面完成注漿加固工程后，運(yùn)輸巷圍巖位移得到一定控制，為驗(yàn)證運(yùn)輸巷注漿加固的效果，對(duì)巷道頂?shù)装逡约跋锏纼蓭蛧鷰r的位移量進(jìn)行了持續(xù)測(cè)量。并將測(cè)量成果繪制成圖，如圖7、圖8所示。

圖7 5216運(yùn)輸巷在回采期間圍巖位移曲線

圖8 5216運(yùn)輸巷回采期間圍巖位移速率曲線

1）5216運(yùn)輸巷在經(jīng)過(guò)注漿加固后，在工作面回采期間，巷道近煤住側(cè)向來(lái)壓與采動(dòng)超前承壓對(duì)巷道圍巖位移的影響得到了控制。頂板圍巖下沉量不足400 mm，巷道兩幫相對(duì)位移量不足700 mm，能夠滿足工作面在回采期間運(yùn)輸巷的使用要求。

2）工作面回采期間，5216運(yùn)輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移速度越快，距離回采位置越遠(yuǎn)巷道圍巖的位移速度越慢。

3）工作面回采期間，5216運(yùn)輸巷受超前承壓影響，距離回采位置越近巷道圍巖的位移量越大，距離回采位置越遠(yuǎn)巷道圍巖的位移量越小。

4）5216運(yùn)輸巷進(jìn)行注漿加固后，巷道圍巖位移受超前承壓的影響范圍在40 m左右，在影響范圍內(nèi)巷道圍巖位移速率明顯高于影響范圍外。

4 結(jié)論

為能夠滿足5216運(yùn)輸巷采工作面回采期間的使用要求，結(jié)合王莊煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料對(duì)5216工作面進(jìn)行圍巖位移因素及圍巖承壓能力的數(shù)值計(jì)算仿真模擬。發(fā)現(xiàn)5216運(yùn)輸巷在工作面回采期間受多種應(yīng)力影響，且原巷道支護(hù)因圍巖位移嚴(yán)重而喪失支護(hù)能力，導(dǎo)致巷道圍巖位移進(jìn)一步加快。基于此種情況綜合分析，決定對(duì)原巷道支護(hù)進(jìn)行注漿加固補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)合5216工作面地質(zhì)情況及工程造價(jià)等問(wèn)題，確定了注漿加固方案，5216運(yùn)輸巷頂板采用淺層注漿與注漿錨索進(jìn)行注漿加固，煤柱側(cè)巷幫采用注漿錨索進(jìn)行注漿加固，通過(guò)對(duì)注漿后運(yùn)輸巷圍巖位移參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)注漿加固后巷道圍巖位移情況得到了有效控制，巷到頂板圍巖下沉量控制在 400 mm內(nèi)，兩幫圍巖相對(duì)位移量控制在700 mm內(nèi)，滿足工作面回采期間運(yùn)輸巷的使用要求，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。