王庄煤矿5216综放工作面破碎围岩巷道注浆加固技术研究

段三平

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

1 工程概况

1.1 工作面概况

王庄煤矿5216综放工作面主采3号煤层，工作面平均煤厚6.9 m，煤层含3～4层加矸，工作面直接顶岩性为泥岩，平均厚度3.5 m，老顶岩性为细砂岩，平均厚度为6.7 m，工作面直接底岩性为泥岩，平均厚度2.6 m，老底岩性为中砂岩，平均厚度4.5 m，位于矿井52采区，工作面高程区间为610～660 m。工作面运输巷为沿空掘巷，临近5208采空区，保护煤柱留设尺寸为18 m，巷高3.2 m，巷宽4.5 m，矩形断面，设计长度1 500 m，沿煤层底板掘进。图1为5216工作面布置平面图。

图1 5216工作面布置平面图

1.2 支护概况

图2 为5216综放工作面运输巷掘进时的支护断面及参数，运输巷顶板支护采用6根锚杆以800 mm×800 mm的间排距打设固定，再以1 250 mm×1 600 mm的间排距打设3根大孔径预应力锚索加强支护；巷帮采用5根锚杆以700 mm×800 mm的间排距打设固定，两侧巷帮支护相同。这种支护形式能够满足5216运输巷在掘进期间的支护需求，工作面进入到回采阶段，受采煤活动的动压，采空区侧压以及巷道承压的应力集中影响，巷道在高应力集中区域变形量加剧，出现冒顶、片帮的现象，巷道围岩位移严重，这种情况在工作面回采一段时间以后进一步恶化，此时工作面向外50 m范围内增加了单体液压支柱进行支护加强，但是巷道围岩位移变形的情况仍然无法遏制[1-2]。工作面现场实际测得，最大顶板下沉量已达700 mm，两侧巷帮最大位移量已达1 000 mm，5216运输巷的巷道变形问题已经严重影响到工作面的生产效率及安全性，需要采取措施对巷道进行加强支护。

图2 5216运输巷支护断面及参数

2 巷道变形分析及加固方案

2.1 巷道变形原因分析

由于5216运输巷临近采空区，虽然留设较大尺寸的保护煤柱，但在工作面进行回采时还是会受到侧面采空区支撑压力的影响，再加上回采动压以及超前承压，导致工作面高应力集中，造成5216运输巷变形严重。为进一步对工作面回采时巷道围岩受应力影响而位移破碎的机理，利用数值仿真计算软件FLAC3D对5216运输巷在工作面回采时的围岩位移量分布情况进行详细分析[3-5]。根据工作面岩性参数进行仿真建模，岩性参数详见表1。

表1 各岩层物理力学参数

根据建立的数值计算仿真模型，对5216运输巷进行力学仿真模拟，并生成对应的围岩位移区域分布，图3为工作面前方5 m处巷道围岩位移区分布；图4为工作面前方25 m处巷道围岩位移区分布。

经分析，巷道围岩的位移范围跟工作面距离远近有关，距离越近位移范围越大，反之减小。通过对比，发现巷道两帮的围岩位移受工作面回采影响较大，巷道两帮围岩承压越大，位移范围及位移量就越大[6-8]，由图3、图4可知，在工作面前方5 m处，运输巷顶板和近煤柱侧巷围岩受影响较大，围岩位移范围也随之变大，位移量最大时已超出运输巷原支护范围；在工作面前方25 m处，运输巷顶板和近煤柱侧巷帮已基本不受工作面超前承压的影响，顶板围岩及近煤住侧巷帮围岩位移范围较小。

图3 5216运输巷工作面前方5 m位移区分布

图4 5216运输巷工作面前方25 m位移区分布

通过对数值仿真计算软件FLAC3D仿真计算成果，并结合5216工作面的地质资料的综合分析，确定5216工作面在回采期间运输巷巷道围岩位移量大的主要因素主要为以下4点：

1）工作面地质条件因素。5216工作面煤层的直接顶和直接底为泥岩，岩性较软，稳定性差，承压能力弱，5216运输巷沿底掘进，巷道围岩承压能力不足。

2）受采空区侧向压力影响。在5216工作面进行回采活动时，巷道围岩受影响产生松动，运输巷近煤柱侧巷帮围岩经侧向来压后产生位移，造成巷道变形加剧。

3）受工作面超前承压影响。工作面回采时，运输巷围岩受到工作面超前承压与回采动压的进一步破坏，巷道顶板围岩大幅下沉。

4）支护失效。数值仿真计算模拟结果显示，5216运输巷巷道围岩在工作面回采期间，由于破碎和位移量较大，导致原巷道支护范围不足以对破碎围岩形成有效支护作用，巷道围岩位移量及范围随之变大。

2.2 工作面注浆加固

5216运输巷原有的支护形式在工作面回采期间已无法满足巷道的支护需求，给工作面的安全生产造成很大的影响。为提高巷道支护强度，增加巷道围岩的承压能力，在巷道原有支护基础上，决定对工作面进行注浆加固，通过对巷道注入高强度的速凝浆液充分填充围岩破碎裂隙，改善巷道围岩的力学特性，提升巷道围岩的整体性及承压能力。对巷道围岩破碎位移的因素分析及模拟计算，结合工作面回采时巷道围岩承压需求，确定本次注浆加固工程的具体方案：

1）注浆钻孔设计。如图5所示，5216运输巷顶板采用浅层注浆并结合注浆锚索进行加固，设计布置浅层注浆钻孔2个，孔径42 mm，孔深为2.5 m，孔间距为1.5 m×1.6 m，注浆锚索设计3根，孔径32 mm，孔深8 m，孔间距为1.25 m×1.6 m，注浆锚索预紧力设计为28 MPa；运输巷煤柱侧巷帮设计布置注浆锚索2根，孔径32 mm，孔深5 m，孔间距为1.1 m×1.6 m，注浆锚索预紧力设计为28 MPa。

图5 5216运输巷注浆加固方案布置图

2）浆液配比。5216运输巷注浆加固材料选择高强度水泥、悬浮剂、石膏、石灰、速凝剂以及缓凝剂，并根据材料特性将上述材料分为2类，Ⅰ类材料为高强度水泥、悬浮剂、缓凝剂；Ⅱ类材料石膏、石灰、悬浮剂、速凝剂。为在进行注浆浆液配比时，Ⅰ类材料混合配比与Ⅱ类材料混合配比，通过配比实验，发现在浆液的水灰配比在1.5∶1时，可达到最佳使用效果。

3）注浆压力。根据5216运输巷围岩的破碎程度以及注浆材料的特性分析，确定巷道顶板浅层注浆孔注浆压力为1～2 MPa，注浆锚索的注浆压力最大不能超过5 MPa。

4）注浆量。为使注浆加固效果最大化，在进行现场注浆活动时，要确保巷道注浆充分，注浆压力达标后，观察注浆孔变化情况，当出现浆液渗出时方可停止注浆。具体的单孔注浆量可由公式（1）计算得出：

式中：Q为注浆孔的单孔注浆量，m3；L为注浆孔钻进方向上加固范围长度，m；A为注浆时的材料消耗系数，取值1.2～1.5；β为破碎围岩裂隙率，取值1%～5%；R为浆液扩散半径，m。5216运输巷注浆加固工程工序流程图如图6所示。

图6 5216运输巷注浆加固流程图

3 效果分析

5216工作面完成注浆加固工程后，运输巷围岩位移得到一定控制，为验证运输巷注浆加固的效果，对巷道顶底板以及巷道两帮围岩的位移量进行了持续测量。并将测量成果绘制成图，如图7、图8所示。

图7 5216运输巷在回采期间围岩位移曲线

图8 5216运输巷回采期间围岩位移速率曲线

1）5216运输巷在经过注浆加固后，在工作面回采期间，巷道近煤住侧向来压与采动超前承压对巷道围岩位移的影响得到了控制。顶板围岩下沉量不足400 mm，巷道两帮相对位移量不足700 mm，能够满足工作面在回采期间运输巷的使用要求。

2）工作面回采期间，5216运输巷受超前承压影响，距离回采位置越近巷道围岩的位移速度越快，距离回采位置越远巷道围岩的位移速度越慢。

3）工作面回采期间，5216运输巷受超前承压影响，距离回采位置越近巷道围岩的位移量越大，距离回采位置越远巷道围岩的位移量越小。

4）5216运输巷进行注浆加固后，巷道围岩位移受超前承压的影响范围在40 m左右，在影响范围内巷道围岩位移速率明显高于影响范围外。

4 结论

为能够满足5216运输巷采工作面回采期间的使用要求，结合王庄煤矿基础地质资料对5216工作面进行围岩位移因素及围岩承压能力的数值计算仿真模拟。发现5216运输巷在工作面回采期间受多种应力影响，且原巷道支护因围岩位移严重而丧失支护能力，导致巷道围岩位移进一步加快。基于此种情况综合分析，决定对原巷道支护进行注浆加固补强，结合5216工作面地质情况及工程造价等问题，确定了注浆加固方案，5216运输巷顶板采用浅层注浆与注浆锚索进行注浆加固，煤柱侧巷帮采用注浆锚索进行注浆加固，通过对注浆后运输巷围岩位移参数进行持续监测，发现注浆加固后巷道围岩位移情况得到了有效控制，巷到顶板围岩下沉量控制在 400 mm内，两帮围岩相对位移量控制在700 mm内，满足工作面回采期间运输巷的使用要求，保证了矿井安全高效生产。