采動(dòng)影響巷道變形的研究及注漿時(shí)機(jī)的分析

申帥帥

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)， 山西 晉城 048006）

引言

對(duì)于一般條件下的采煤工作面而言，其超前支承壓力明顯大于采空區(qū)支承壓力，回采巷道的變形破壞主要受到工作面超前支承壓力的影響，然而通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大采高工作面而言，其采空區(qū)支承壓力明顯高于超前支承壓力，工作面后方留巷變形嚴(yán)重，變形多以底鼓方式呈現(xiàn)，留巷變形范圍大，巷道支護(hù)困難[1]。晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)現(xiàn)階段主要進(jìn)行厚煤層開采，由于工作面長(zhǎng)、采高大造成留巷變形嚴(yán)重、支護(hù)困難、難以保證正常復(fù)用。以趙莊煤業(yè)5310大采高工作面為例，簡(jiǎn)述采動(dòng)影響巷道變形破壞規(guī)律及注漿支護(hù)建議，具有一定的借鑒意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

趙莊礦5310工作面井下位于五盤區(qū)中部，5306放頂煤工作面以西，五盤區(qū)大巷以北。大采高工作面東西兩邊均為實(shí)體煤，北部與王坡礦3212工作面相鄰 。 南 臨 5106、5102、5103、5104 巷 ，5106、5102、5103、5104巷已掘進(jìn)至設(shè)計(jì)位置，北至趙莊礦礦界。工作面走向長(zhǎng)2 559.66 m，工作面傾斜長(zhǎng)251 m；煤層平均厚度5.75 m；煤層傾角為2°～12°。5310大采高工作面共布置五條順槽，工作面西部布置三條順槽，分別為53105、53102、53104巷；東部?jī)蓷l順槽為 53101、53103 巷；53101、53105 為輔助運(yùn)輸巷，53105巷兼做電氣列車巷，53103巷為皮帶巷；53101、53103、53105 三巷為進(jìn)風(fēng)順槽，53102、53104兩巷為回風(fēng)順槽，工作面尾部開鑿一條切眼和通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷；五條巷道除53103、53104巷沿煤層底板掘進(jìn)外，其他三條巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。5310工作面布置如圖1所示。

圖1 趙莊礦5310工作面布置簡(jiǎn)圖

目前工作面后方留巷頂?shù)装遄冃螄?yán)重，多處發(fā)生漏矸、底鼓現(xiàn)象，頂、底板圍巖變形大，巷道支護(hù)困難。因此非常有必要對(duì)超前支護(hù)段支承壓力的分布情況進(jìn)行研究，確定重點(diǎn)注漿區(qū)域，保證工作面正?；夭?。

2 變形的研究

為了能夠更清楚地分析大采高工作面超前支承壓力的分布情況，在工作面前方主撤巷道中布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面，記錄工作面推近主撤巷道不同距離時(shí)巷道表面位移變化情況，如圖2所示。

圖2 主撤巷道表面位移變化曲線

由圖2可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至距主撤巷道50 m左右時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤_始有小幅度的變化，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，變化量緩慢增大，直至工作面推進(jìn)至距主撤巷道20 m左右時(shí)，主撤巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平棵黠@增大，頂?shù)装逡平孔畲笾导s700 mm，兩幫移近量最大值約420 mm。該現(xiàn)象表明：工作面超前支承壓力的影響范圍約為50 m，劇烈影響范圍約為20 m，其中在12 m位置達(dá)到峰值。

同時(shí)，為了能夠更清楚地分析大采高工作面采空區(qū)支承壓力的分布情況，在43012巷內(nèi)布置巷道表面位移測(cè)站觀測(cè)工作面后方巷道變形情況，如圖3所示。

圖3 43012巷變形觀測(cè)曲線

3 注漿時(shí)機(jī)的分析

3.1 變形破壞規(guī)律

通過分析大采高工作面支承壓力的分布特征可以發(fā)現(xiàn)，工作面超前支承壓力的影響范圍約為工作面前方50 m，采空區(qū)支承壓力的影響范圍約為工作面后方400 m；工作面前方巷道在超前支承壓力影響下，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾导s為700 mm，速度最大值約為21 mm/d，而工作面后方巷道在采空區(qū)支承壓力的影響下，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾导s為2 200 mm，速度最大值約為75 mm/d，因此，綜合分析可將大采高工作面回采巷道變形破壞規(guī)律大致總結(jié)如圖4所示。

圖4 大采高工作面回采巷道變形分區(qū)特征

由圖4可以看出，根據(jù)大采高工作面回采巷道的變形規(guī)律，可以將其變形情況大致分為初始變形區(qū)、劇烈變形區(qū)、趨于穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定區(qū)四個(gè)區(qū)段[2]。

1）初始變形區(qū)：工作面后方80 m至工作面前方50 m。其中工作面前方50 m范圍內(nèi)巷道主要受到工作面超前支承壓力的影響，雖然也可進(jìn)一步劃分為應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，但是其變形速度遠(yuǎn)小于工作面后方巷道的變形速度；工作面后方80 m范圍內(nèi)巷道變形速度不大，基本與工作面前方50 m范圍內(nèi)的巷道變形速度持平。該范圍巷道圍巖內(nèi)部裂隙不發(fā)育，貫通性差。

2）劇烈變形區(qū)：工作面后方80～300 m。該范圍內(nèi)巷道變形速度急劇增大，達(dá)到峰值后又緩慢減小，變形速度大、范圍大是造成巷道在工作面后方變形嚴(yán)重的主要原因。該范圍巷道圍巖破壞嚴(yán)重，裂隙極其發(fā)育、開度大、貫通性好，極適于漿液流通，但同時(shí)也會(huì)由于圍巖破碎嚴(yán)重造成明顯的漏漿現(xiàn)象。

3）趨于穩(wěn)定區(qū)：工作面后方300～400 m。該范圍內(nèi)巷道變形速度已經(jīng)明顯減小，且速度曲線明顯變緩，巷道逐漸趨于穩(wěn)定。

4）穩(wěn)定區(qū)：工作面后方400 m以后。該范圍內(nèi)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定，巷道表面位移基本不再變化。

3.2 注漿時(shí)段

根據(jù)工作面回采巷道變形規(guī)律及漿液滲流特性，可以大致將其分為四個(gè)注漿時(shí)段，如圖5所示。

圖5 大采高工作面回采巷道注漿加固時(shí)機(jī)

1）注漿第一時(shí)段。第一時(shí)段在巷道初始變形區(qū)之前，這一階段基本不受采動(dòng)影響，加上原有支護(hù)的作用，巷道變形量較小，圍巖內(nèi)部裂隙不發(fā)育，貫通性差，因此注漿量較小，在這一注漿時(shí)段進(jìn)行注漿，雖然對(duì)控制初始變形區(qū)巷道變形量有一定作用，但是對(duì)于復(fù)用巷道而言，考慮到后期劇烈變形區(qū)過后圍巖發(fā)生更嚴(yán)重的破壞，是不經(jīng)濟(jì)的[3]。根據(jù)以往注漿治理經(jīng)驗(yàn)，這一階段巷道兩幫注漿漿料1.4 t/m左右。

2）注漿第二時(shí)段。第二時(shí)段位于初始變形區(qū)，即工作面后方80 m到工作面前方50 m范圍，這一階段受到工作面采動(dòng)影響，巷道有一定程度的變形，圍巖內(nèi)部裂隙較為發(fā)育，但是巷道變形并不劇烈，圍巖破壞不深，錨桿、錨索大部分完好，整體承載性能并未失去。在這一階段進(jìn)行注漿，注漿壓力適中，注漿量大，使淺部破碎煤體膠結(jié)形成再承載層，阻止破壞進(jìn)一步向深部擴(kuò)展，可以有效降低劇烈變形區(qū)域圍巖破壞程度，減小后期巷道翻修工程量。因此，在這一時(shí)段進(jìn)行注漿加固是經(jīng)濟(jì)合理的。

3）注漿第三時(shí)段。第三注漿時(shí)段位于劇烈變形區(qū)，即工作面后方80 m到工作面后方300 m范圍內(nèi)，這一階段經(jīng)受多次周期來壓影響，是巷道變形的主要區(qū)域，如果未采取提前加固措施，錨桿、錨索大部分破斷，失去承載性能，兩幫、底板鼓出嚴(yán)重，頂板也有一定的下沉，圍巖極為破碎，內(nèi)部離層、裂隙極為發(fā)育。在這一階段進(jìn)行注漿，注漿壓力小，注漿量極大，漏漿嚴(yán)重，伴隨有片幫和煤幫整體鼓出。因此，在這一階段，會(huì)消耗大量的注漿材料，圍巖承載能力基本消耗殆盡，并且大部分錨桿、錨索需要重新打設(shè)，不僅注漿效果不好，而且極不經(jīng)濟(jì)。

4）注漿第四時(shí)段。第四時(shí)段位于趨于穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)之間，即工作面后方300m到工作面后方400m之間，該時(shí)段內(nèi)圍巖采動(dòng)影響已經(jīng)基本結(jié)束，圍巖變形趨于穩(wěn)定，在該時(shí)段注漿，注漿量較大，有利于提高巷道承受二次采動(dòng)影響的能力，但是單一只對(duì)這一區(qū)域注漿作用與注漿第一時(shí)段類似，意義不大，必須與第二注漿時(shí)段相配合，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)，可以有效減輕穩(wěn)定期內(nèi)巷道圍巖長(zhǎng)期蠕變的影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果

采動(dòng)影響巷道注漿加固前后的變形曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 采動(dòng)影響巷道注漿加固前后變形規(guī)律曲線

由圖6可以看出，巷道在初始變形區(qū)的后段進(jìn)行了一次注漿之后，產(chǎn)生最明顯的效果是巷道的劇烈變形區(qū)范圍明顯減小，變形程度也有所降低；巷道在變形穩(wěn)定區(qū)和趨于穩(wěn)定區(qū)之間經(jīng)過了二次注漿之后，在經(jīng)歷二次采動(dòng)影響時(shí)，變形程度和范圍都明顯減小，說明注漿加固對(duì)控制采動(dòng)影響巷道的變形起到了較好的效果，且選取注漿時(shí)機(jī)較為合理。

5 結(jié)論

對(duì)于復(fù)用巷道而言，最理想的注漿加固時(shí)機(jī)可以確定為兩個(gè)：一次注漿是在巷道初始變形區(qū)的后部，在巷道圍巖產(chǎn)生初期變形時(shí)，利用注漿加固的方式，提高巖體的整體穩(wěn)定性和承載能力，避免采動(dòng)作用造成圍巖完全破壞，以承受下一階段的劇烈變形影響，在該階段最好配合巷幫、頂板，以及底板錨桿和錨索補(bǔ)強(qiáng)；二次注漿是在巷道變形穩(wěn)定區(qū)和趨于穩(wěn)定區(qū)之間，此時(shí)巷道經(jīng)過了一次注漿加固和劇烈變形區(qū)影響，圍巖在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生劇烈破壞變形，此次注漿的目的在于提高圍巖承載能力，以抵抗二次采動(dòng)影響。