張德志
(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司礦用材料分院,北京 100020)
煤礦巷道支護(hù)狀況直接影響礦井的安全生產(chǎn)[1],隨礦井埋深的增加,受瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響,礦壓顯現(xiàn)愈發(fā)明顯,開采難度增加。巷道開掘后,支護(hù)狀況受埋深、施工層位、周邊巷道布置、支護(hù)形式、強(qiáng)度及采動(dòng)等因素影響[2-3],尤其是受采動(dòng)即動(dòng)壓影響時(shí)礦壓顯現(xiàn)最為明顯,巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形,威脅安全生產(chǎn)。針對(duì)該問題,通過永安煤礦32采區(qū)三條下山現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查評(píng)價(jià)、數(shù)值模擬分析、制定加固方案及實(shí)施、現(xiàn)場(chǎng)施工反饋等工作[4],開展對(duì)動(dòng)壓影響下底板巖巷加固技術(shù)研究。
永安煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力65萬t/a,采取平硐-暗斜井混合開拓方式,主采3#煤層,煤層賦存穩(wěn)定,煤厚5.4~7.2 m,平均煤厚6.4 m,煤層傾角約2°~4°,頂板、底板均為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層。礦井現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)為32采區(qū),采區(qū)布置三條下山,采用錨噴支護(hù)。采區(qū)正在組織生產(chǎn)的工作面為3208工作面及3210工作面,已回采結(jié)束的工作面為3209工作面,采區(qū)以北為相鄰五里廟煤礦采空區(qū)。采區(qū)三條下山受多次采動(dòng)影響,先后經(jīng)歷多次擴(kuò)修、加固,巷道變形嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫內(nèi)鼓及片幫,存在極大的安全隱患,嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。
采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)合礦井采掘工作面實(shí)揭資料及本區(qū)鉆孔柱狀圖建立模型,模型長(zhǎng)度240 m、寬度25 m、高度80 m。為提高模擬精確度,模型范圍內(nèi)共劃分25 000個(gè)單元,35 232個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)定煤層傾角為3°,模型范圍內(nèi)確定巷道斷面規(guī)格及施工層位,建立巷道上覆巖層、下覆巖層,巖石力學(xué)參數(shù)見表1,在模型頂部邊界施加垂直應(yīng)力6 MPa,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,側(cè)壓大于垂直壓力,取側(cè)壓系數(shù)為1.2,模型頂、底部分別為應(yīng)力邊界及位移邊界。
表 1 巖石力學(xué)參數(shù)表
模擬得出三條下山開掘后、受一次采動(dòng)后、二次采動(dòng)后三種情況下塑性區(qū)分布范圍,以塑性區(qū)范圍確定巷道圍巖破壞范圍。
(1)開掘后塑性區(qū)分布范圍
巷道開挖后進(jìn)行錨噴支護(hù),所受垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力重新分布,受爆破及礦壓影響,巷道周邊圍巖均出現(xiàn)塑性區(qū)。巷道開掘后塑性區(qū)分布范圍如圖1。由圖1可知,由于三條下山巷道施工層位、埋深及支護(hù)強(qiáng)度均一致,受垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力一致,塑性區(qū)范圍基本一致,寬度為3~4 m。同時(shí)也可得出,三條巷道掘進(jìn)期間相互影響較小。
圖1 巷道開掘后塑性區(qū)分布范圍
(2)一次采動(dòng)后塑性區(qū)分布范圍
三條下山受3208工作面采動(dòng)影響,超前應(yīng)力顯現(xiàn)明顯,一次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖2,由圖2可知,巷道周邊塑性區(qū)范圍分布明顯變大,寬度約4.5~6.5 m,較開掘后巷道右?guī)退苄詤^(qū)范圍增加近1.5 m。另由于回風(fēng)下山巷道北臨五里廟煤礦采空區(qū),左幫塑性區(qū)范圍較開掘后巷道增加近2.5 m。
圖2 一次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布
(3)二次采動(dòng)后塑性區(qū)分布范圍
三條下山受3208工作面、3210工作面采動(dòng)及超前應(yīng)力疊加影響,二次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖3。由圖3可知,巷道周邊塑性區(qū)范圍分布較一次采動(dòng)時(shí)進(jìn)一步變大,寬度約6~8 m,增加約1.5 m。由于材料下山南臨3208工作面、3210工作面,巷道右?guī)退苄詤^(qū)較左幫塑性區(qū)寬2 m。
圖3 二次采動(dòng)后下山巷道圍巖塑性區(qū)分布
綜上所述,巷道開挖后,周邊塑性區(qū)分布范圍隨一次采動(dòng)影響、二次采動(dòng)影響逐漸增大,周邊圍巖破壞情況加劇。其中,回風(fēng)下山巷道靠近臨近煤礦采空區(qū)、材料下山巷道靠近回采工作面一側(cè)變形尤為明顯,受影響最大。計(jì)劃采用注漿對(duì)巷道周邊圍巖進(jìn)行加固。
利用高壓力注漿泵、注漿管向巷道周邊塑性區(qū)圍巖注入漿液,漿液充填圍巖裂隙后快速凝固,與周邊圍巖形成整體,提高圍巖強(qiáng)度及承載力。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖狀況及借鑒其他礦井注漿經(jīng)驗(yàn),選用水泥漿及ZKD高水速凝材料雙漿液。隨水灰比的增加,漿液粘度、屈服強(qiáng)度隨之增加,具有強(qiáng)度高及快速凝結(jié)的特性。
注漿管采用直徑25 mm一般焊接管加工而成,長(zhǎng)度1.5 m,一端車絲長(zhǎng)度30 mm,距該端頭1.2 m、1.35 m分別打設(shè)兩個(gè)直徑6 mm小孔;使用封孔膠進(jìn)行封孔,長(zhǎng)度1.2 m。
安裝注漿管→注清水試驗(yàn)→制漿→注漿→對(duì)下一個(gè)注漿孔注漿→停機(jī)清洗→卸除孔口球閥。
ZKD型高水速凝材料由主料和配料組成,混合后凝固時(shí)間極短,考慮井下工人操作水平及漿液輸送距離,將主料及配料分開輸送。
(1)制漿。借鑒其他礦井注漿經(jīng)驗(yàn),水灰比采用1.5:1,ZKD高水速凝材料按11%比例加入,主料及配料比為1:1。
(2)注漿壓力及注漿量。注漿開始后通過壓力表控制壓力由零持續(xù)上升,保證漿液沿裂隙擴(kuò)散充分、均勻,終孔壓力2~3 MPa。單孔達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值,并持續(xù)10 min不吸漿,即可停機(jī)開啟卸壓閥,之后更換注漿孔。
(3)拆除球閥。待停機(jī)清洗后,至少等待6 h方準(zhǔn)拆除球閥。
(4)注漿孔設(shè)計(jì)。注漿孔直徑42 mm,孔深2400 mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)三條下山巷道變形特征,同時(shí)考慮底鼓量小,計(jì)劃對(duì)巷道頂板及兩幫進(jìn)行全斷面注漿,提高頂幫圍巖強(qiáng)度。沿巷道掘進(jìn)方向,每排布置6個(gè)注漿孔,排距2 m,其中,頂板布置兩個(gè)注漿孔,兩幫各兩個(gè)。頂板注漿孔按與豎直方向呈45°打設(shè),對(duì)稱布置,兩幫注漿孔間距1 m,下部一根注漿孔距底板0.5 m。注漿孔布置示意圖如圖4。
圖4 注漿孔布置示意圖(mm)
采用施工探查孔的方式對(duì)注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證。鉆孔施工完畢后,采用鉆孔窺視儀對(duì)注漿段巷道圍巖進(jìn)行觀測(cè),查看圍巖裂隙填充情況。另對(duì)圍巖進(jìn)行取樣,查看膠結(jié)效果及強(qiáng)度。
由于三條下山巷道地質(zhì)采礦條件及施工條件相似,選取材料下山巷道頂板及緊鄰工作面幫部圍巖進(jìn)行分析,使用鉆孔窺視儀對(duì)距巷道孔口1.5 m處里外圍巖進(jìn)行觀察。材料下山圍巖注漿前后對(duì)比圖如圖5。由圖5可知,圍巖在注漿前較破碎,受圍巖松軟、存在裂隙影響,孔壁破損明顯,注漿后漿液與圍巖形成一體,孔壁完整。另取材料下山注漿后巷道頂板巖石,與注漿前頂板巖石進(jìn)行對(duì)比分析。注漿前圍巖破碎,存在孔隙,且易斷裂,注漿后漿液填充了圍巖裂隙,與圍巖膠結(jié)形成一體,整體性及強(qiáng)度明顯提升。
圖5 材料下山圍巖注漿前后對(duì)比圖
(1)結(jié)合32采區(qū)三條下山巷道實(shí)際地質(zhì)采礦條件,通過數(shù)值模擬結(jié)果可知,受工作面采動(dòng)影響,巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大,且靠近工作面?zhèn)葒鷰r受破壞程度加劇。
(2)結(jié)合圍巖受壓破壞的變形特征,采取注水泥漿及ZKD高水速凝材料雙漿液加固措施,通過對(duì)比注漿前后圍巖狀況,漿液與巖石膠結(jié)形成一體,圍巖強(qiáng)度及承載力明顯提高。
(3)對(duì)受壓變形大、圍巖破碎的巷道,采取注漿措施達(dá)到加固的效果,對(duì)類似條件下巷道注漿加固提供借鑒的意義。