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        動壓影響巷道圍巖注漿加固技術(shù)研究

        2021-08-02 02:31:48李昱輝
        2021年8期
        關(guān)鍵詞:采動下山塑性

        李昱輝

        (山西煤炭運銷集團 盛泰煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048400)

        煤礦巷道穩(wěn)定性一直是采礦行業(yè)關(guān)注的重點問題之一,其中動壓影響下巷道圍巖穩(wěn)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(yīng)力分布復(fù)雜,圍巖變形大,支護困難,給礦井安全生產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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。回風下山以北為相鄰煤礦工作面采空區(qū),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(chǎn),現(xiàn)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(shù)值模擬研究

        2.1 數(shù)值模型的建立

        根據(jù)鉆孔柱狀圖建立FLAC3D數(shù)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(jié)點。模型頂部為應(yīng)力邊界,施加上覆巖層重力5.5 MPa,側(cè)壓系數(shù)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(shù)為實驗室實測結(jié)果,見表1。

        表1 煤巖物理力學參數(shù)

        圖3 數(shù)值計算模型

        2.2 模擬結(jié)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(qū)分布如圖4所示。下山掘出后圍巖應(yīng)力重新分布,受集中應(yīng)力的影響,在頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)一定范圍的塑性區(qū),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(qū)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(qū)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(cè),所以回風下山巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大比較明顯,其左幫圍巖塑性區(qū)范圍達到7 m,與掘巷后相比增加了3 m,右?guī)蛧鷰r塑性區(qū)增加了2 m。

        圖5 一次采動后下山巷道圍巖塑性區(qū)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(qū)分布如圖6所示。可知,3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(cè),所以材料下山巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大比較明顯,其左幫圍巖塑性區(qū)范圍為5.5 m;右?guī)蛧鷰r塑性區(qū)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(qū)分布

        綜上分析,3條下山開挖后,在頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)一定范圍的塑性區(qū),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(qū)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(cè)的影響最大,必須要進行補強加固。

        3 注漿加固技術(shù)

        注漿是巷道圍巖加固的一種有效方法,其實質(zhì)就是向存在大量裂隙的破碎煤巖體內(nèi)注入漿液,使破碎的煤巖體重新膠結(jié)成整體,提高自承載能力,從而提高巷道圍巖的穩(wěn)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(jié)并固化成為有一定強度的固結(jié)體,具有用水量大,固結(jié)料用量少等優(yōu)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(tǒng),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(nèi)部。

        3.3 注漿參數(shù)選擇

        1) 水灰比。綜合考慮現(xiàn)場條件,設(shè)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(jié)束后再進行注漿,注漿壓力設(shè)定為2.0~2.5 MPa。

        3) 注漿量。單孔注漿量根據(jù)下式計算:

        Q=AHπL2βλ

        式中:A為漿液損耗系數(shù),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(shù),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(yè)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(jié)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(jié)情況。

        由于篇幅所限僅選取了材料下山頂板2 m、回采側(cè)幫部2 m位置處注漿前后巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)成為了一個整體,進一步提高了下山巷道頂板的穩(wěn)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(jié),增強了幫部巖體強度。

        圖9 材料下山圍巖注漿前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化

        圖10為材料下山試驗段巷道頂板取出的膠結(jié)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(nèi)部裂隙已經(jīng)被漿液充填,重新膠結(jié)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(jié) 語

        1) 通過對動壓影響下3條下山進行數(shù)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?zhèn)葒鷰r變形最為嚴重。

        2) 采取注漿加固措施來保證圍巖穩(wěn)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(xiàn)場取樣分析,得出通過對下山破碎區(qū)域進行注漿加固,破碎巖體實現(xiàn)了充分膠結(jié),圍巖強度進一步加強。

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