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。

1 工程概況

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)。

2 巷道破壞情況數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬的建立

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

2.2 模擬結(jié)果分析

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。

3 注漿加固設(shè)計(jì)

3.1 注漿加固原理

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。

3.2 注漿材料

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。

3.3 注漿工藝

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。

3.4 注漿參數(shù)

（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）

4 注漿效果分析

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

5 結(jié)論

（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。