綜放工作面沿空留巷合理注漿時(shí)機(jī)研究

郜冬冬，朱 帥

(1. 山西高河能源有限公司，山西 長治 047100；2. 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的意義。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消費(fèi)總量日益增加，這給有限的煤炭資源帶來了沉重的負(fù)擔(dān)，所以，提高煤炭資源利用率、優(yōu)化煤炭開采工藝越來越重要。沿空留巷的發(fā)展給煤炭資源的合理開發(fā)帶來了新的契機(jī)，無煤柱沿空留巷也在我國多個(gè)礦區(qū)得到了成功應(yīng)用，潞安集團(tuán)的高河能源、常村煤礦和余吾煤業(yè)成功實(shí)施了有煤柱沿空留巷技術(shù)。

山西高河能源有限公司(以下簡(jiǎn)稱“高河能源”)為設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬t/a的特大型生產(chǎn)礦井，對(duì)采掘銜接要求很高。W1319采煤工作面的沿空留巷即W1319的進(jìn)風(fēng)巷(原W1318進(jìn)風(fēng)巷)部分區(qū)域在一次采動(dòng)影響后變形破壞嚴(yán)重，煤柱幫出現(xiàn)大量的錨桿錨索斷裂、退錨現(xiàn)象，頂板下沉明顯，柔模充填體多處壓裂，二次采動(dòng)期間巷道圍巖控制難度較高。因此，為確保W1319工作面安全回采，提出對(duì)W1319進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行煤幫和頂板整體注漿的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。因?yàn)闈{液在圍巖中的擴(kuò)散范圍取決于巷道圍巖裂隙發(fā)育程度，裂隙發(fā)育程度高則漿液在圍巖中擴(kuò)散范圍大；反之，裂隙發(fā)育程度低則漿液在圍巖中的擴(kuò)散范圍小。然而，裂隙發(fā)育程度越高意味著巷道圍巖變形破壞越嚴(yán)重，注漿時(shí)機(jī)選擇過早圍巖吃漿量少，注漿效果不佳；注漿時(shí)機(jī)選擇過晚，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，注漿已經(jīng)不能有效的重塑圍巖，注漿時(shí)機(jī)只有選擇巷道圍巖裂隙發(fā)育充分且又具有較高的可重塑性時(shí)效果才最佳[1-2]。因此，本文針對(duì)W1319進(jìn)風(fēng)巷圍巖特征，通過數(shù)值模擬的方法模擬在工作面前方不同距離處注漿對(duì)巷道圍巖變形量的控制效果，進(jìn)而確定合理的注漿時(shí)機(jī)，并為類似巷道圍巖控制提供參考。

1 基本概況

W1319工作面所采煤層為3號(hào)煤層，平均煤厚6.5 m，煤層平均傾角5°，埋深450 m。W1319進(jìn)風(fēng)巷南邊為處于西一盤區(qū)的W1319工作面，北邊為W1318工作面采空區(qū)，西側(cè)為5條大巷并與其中的+450 m水平南翼輔助運(yùn)輸大巷相通，具體巷道位置見圖1。

圖1 W1319工作面巷道位置示意

W1319進(jìn)風(fēng)巷沿底掘進(jìn)，隨著W1318綜采工作面的推進(jìn)在巷道北幫鋪設(shè)柔模墻，巷道凈寬度為4 000 mm，高度為3 850 mm，一次回采后支護(hù)斷面見圖2。在一次采動(dòng)影響后，W1319進(jìn)風(fēng)巷變形主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近，分別達(dá)到了450 mm、300 mm，底板及柔模墻幫變形不大，一次回采后巷道變形特征見圖3。

圖2 巷道支護(hù)斷面(mm)

圖3 巷道變形破壞形式示意

2 注漿機(jī)理分析

在原巖應(yīng)力條件下，煤體內(nèi)存在大量裂隙，但這些裂隙都較小，對(duì)煤體的承載能力影響不大。W1319進(jìn)風(fēng)巷經(jīng)過掘巷、W1318工作面回采擾動(dòng)，煤體內(nèi)原有的小裂隙得到擴(kuò)張發(fā)展，甚至淺部煤體嚴(yán)重破壞形成煤塊或者顆粒，導(dǎo)致煤體原有的承載能力降低，錨桿錨索的錨固能力也大大下降，受到多次擾動(dòng)影響后的巷道圍巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，注漿機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)[3]：

1) 注漿漿液充填煤巖體內(nèi)的裂隙，增加圍巖的凝聚力，使得已經(jīng)破碎松散的圍巖重新加固成一個(gè)整體，提高圍巖巖石力學(xué)參數(shù)，從而控制圍巖的進(jìn)一步變形破壞。

2) 注漿能夠有效增強(qiáng)錨桿與圍巖的錨固強(qiáng)度。W1319進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)支護(hù)的錨桿錨索的錨固力會(huì)隨著圍巖的破碎慢慢降低，注漿后的圍巖整體性增強(qiáng)，錨桿錨索錨固圍巖的效果又重新得到完善。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，注漿后錨桿錨索的錨固力甚至?xí)_(dá)到注漿前的3倍，且其衰減速度也會(huì)慢很多。

圖4 巷道圍巖結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)前人研究得出的結(jié)論，依據(jù)巷道圍巖特征確定注漿時(shí)機(jī)。注漿時(shí)機(jī)過早，圍巖內(nèi)裂隙、孔隙發(fā)育不充分，煤巖體注漿量少，達(dá)不到有效控制圍巖變形的作用；注漿時(shí)機(jī)過晚，圍巖承載力嚴(yán)重破壞，巷道變形過大，此時(shí)注漿為時(shí)已晚。所以，針對(duì)沿空留巷的注漿需要在裂隙發(fā)育與巷道變形破壞程度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，即注漿時(shí)既能保證煤巖體有足夠的吃漿量又不至于巷道變形破壞嚴(yán)重漿液加固能力降低，實(shí)現(xiàn)最有效控制圍巖持續(xù)變形的目的[4-6]。

根據(jù)高河能源地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬W1319工作面回采前以及在推進(jìn)前方20 m、50 m、80 m、120 m注漿時(shí)工作面前方10 m位置進(jìn)風(fēng)巷及圍巖的變形情況，建立三維模型如圖5所示，模擬結(jié)果如圖6-11所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

圖6 W1319工作面回采前位移云圖

圖7 W1319工作面前方20 m注漿位移云圖

圖8 W1319工作面前方50 m注漿位移云圖

圖9 W1319工作面前方80 m注漿位移云圖

圖10 W1319工作面前方120 m注漿位移云圖

圖11 頂板下沉量對(duì)比

圖12 煤幫移近量對(duì)比

由于W1319進(jìn)風(fēng)巷變形量主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近，所以，在此以頂板和煤幫的變形量作為判斷注漿效果的依據(jù)。根據(jù)模擬云圖與變形量對(duì)比圖可以看出：

1) 因?yàn)閃1319工作面回采前巷道只受到掘進(jìn)和W1318工作面回采的影響，W1319工作面回采時(shí)進(jìn)風(fēng)巷再次受到擾動(dòng)影響進(jìn)一步變形，所以在二次回采前巷道變形量最小。

2) 在W1319工作面前方20 m時(shí)注漿，雖然巷道裂隙發(fā)育最充分、吃漿量大，但是由于巷道已經(jīng)產(chǎn)生很大變形，再進(jìn)行注漿為時(shí)已晚。

3) 在50 m時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行注漿，頂板下沉量730 mm,煤幫移近量588 mm，此時(shí)巷道變形量最小，控制效果最佳。

4) 在距離工作面80 m、120 m時(shí)巷道受二次采動(dòng)影響小，圍巖中裂隙未得到進(jìn)一步發(fā)育，此時(shí)注漿圍巖吃漿量小。當(dāng)后期二次回采超前支承壓力作用時(shí)巷道承受能力有限，漿液與圍巖組成的新的結(jié)合體再一次被破壞，所以圍巖控制效果不佳。

綜合考慮，應(yīng)在工作面前方50 m位置進(jìn)行注漿。

4 結(jié) 語

根據(jù)W1319進(jìn)風(fēng)巷圍巖破壞特征與注漿機(jī)理，進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬，得出在二次回采時(shí)工作面前方50 m位置作為注漿時(shí)機(jī)巷道圍巖變形量最小，巷道圍巖裂隙發(fā)育充分且又具有較高的可重塑性,注漿效果最佳。