18503工作面复用巷道二次注浆工艺及模拟分析

何天龙

（西山煤电晋兴能源有限公司斜沟煤矿，山西 兴县 033602）

随着工作面采深、采高的逐步增加，矿山压力显现越来越明显，使得复用巷道的留设成为难题[1-4]。随着后期开采活动的影响，复用巷道两侧的围岩松动圈范围逐步扩大，致使煤岩体的整体性下降，围岩体离散程度加大，巷道支护效果降低，巷道整体变形进一步加剧[5]。二次采动影响下的巷道，支护难度大，整体性差，注浆加固成为有效地提高巷道围岩的整体性、控制巷道变形的有效方法。斜沟煤矿18503工作面复用巷道采用超前注浆与滞后注浆的二次注浆加固技术，通过现场的前期调研和力学性能试验，初步确定现场的具体注浆参数，并结合数值模拟和后期的工艺性试验，进一步验证该技术对控制复用巷道的大变形有较大的帮助。

1 现场矿压规律分析

复用巷道在采动影响下，其时间和空间上与采煤工作面有明显的分区特点。就工作面前方的支承压力而言，通过在受采动影响的煤体中埋设的钻孔应变计和观测工作面影响区单体柱的压力变化，可以将工作面支承压力划分为三个区，如图1。

图1 工作面支承压力分布规律

2 复用巷道注浆时机

注浆过早的话，由于煤体自身结构完整，会使得整体注浆效果不明显；但如果注浆时间过晚，由于煤体在复合压力作用下破碎严重，这种情况下会使得注浆液消耗量大，造成材料不必要的浪费。

根据现场对支承压力的监测，选择压力值达到峰值时开始注浆。就二次注浆而言，根据现场工作面推进情况，选择滞后支承压力对复用巷道产生影响时开始注浆。

前期超前注浆会使得煤体整体性高，煤体具有一定的强度。滞后二次注浆选择在滞后工作面处，因为在支承压力作用下，该处巷道两帮裂隙发育充分，有利于浆液在煤岩体中的扩散，能够较大程度上提高煤岩体的整体强度。

3 复用巷道二次注浆工艺参数

3.1 二次注浆压力

注浆压力的大小影响着注浆液在巷道煤岩体中的扩散范围和扩散速度，注浆压力的选取直接影响着复用巷道注浆加固的效果，而注浆压力的选取又取决于巷道周边煤岩体的力学性能、注浆液的性质及所要求的浆液扩散半径。

注浆压力可按照经验公式（1）求得：

式中：

ƒ-注浆过程中的压力系数，MPa/m，当注浆地点埋深小于250m时，ƒ=0.022～0.020；注浆地点埋深为250～350m时，ƒ=0.020～0.018；注浆地点埋深为350～450m时，ƒ=0.018～0.016；

RD-有效注浆长度，即复用巷道两帮围岩松动圈半径，m。

根据前期对斜沟煤矿18503工作面复用巷道的调研，可知：注浆地点的埋深为375m，ƒ可取0.18；而巷道两帮的围岩松动圈半径为2.3m，因此可以得出适合该复用巷道的注浆压力PD为0.414MPa。

3.2 二次注浆量

考虑到注浆量会受复用巷道两帮围岩的裂隙发育、松动圈范围及围岩岩性的影响，其注浆量可采用式（2）进行计算：

式中：

Q-二次注浆量，m3；

r-二次注浆的有效扩散半径，m；

n-巷道两帮围岩体的孔隙率，取0.85；

L-二次注浆钻孔的整体长度，m；

α-二次注浆充填系数，取0.70；

β-二次注浆压力衰减系数，取1.25。

根据巷道围岩松动圈范围，二次注浆的有效扩散半径为2.5m，而二次注浆钻孔的整体长度为3.0m，计算得出其注浆量Q为43.79m3。

3.3 二次注浆有效半径

二次浆液在巷道两帮煤岩体裂隙中的扩散是极为不规则的，随着煤岩体自身的渗透系数、裂隙发育宽度、二次注浆压力、二次注浆时间的增加而逐渐增大，随着二次浆液的浓度和二次注浆液的黏度的增加而注浆减小。因此，现场通常以调节注浆液的二次注浆压力、注浆量及注浆浓度等参数来控制注浆液在煤岩体中的扩散范围。

根据以往的注浆经验，推导得出适合于二次注浆的公式（3）：

式中：

γ-煤岩体的容重，kg/m³；

h-注浆地点的埋深，m；

σc-复用巷道两帮煤岩体的平均抗压强度，MPa；

H-复用巷道的巷高，m。

由式（3）可以得出二次注浆有效半径为2.46m。

3.4 二次注浆钻孔布置方式

二次注浆钻孔孔深根据巷道两帮围岩体的松动圈范围而定，孔间距的选择根据注浆液的有效扩散半径而定，因此其孔间距应为二次注浆有效半径的1.65～1.75倍之间，具体根据现场施工情况而定。

4 复用巷道二次注浆效果分析

根据对斜沟煤矿18503工作面的前期调研，运用FLAC3D进行有限元模拟，通过对斜沟煤矿18503工作面复用巷道进行二次注浆模拟，分析二次注浆前后巷道两帮围岩体的力学特性和位移变化情况。

（1）煤岩体力学参数

根据对斜沟煤矿18503工作面注浆前的取样岩芯与注浆后的取样岩芯分别进行实验室力学性能测试，得出斜沟煤矿18503工作面二次注浆前后煤岩体的力学参数，如表1所示。

（2）二次注浆前后模拟分析

由图2模拟数据分析得出：二次注浆加固后，巷道两帮的应力峰值较二次注浆前降低了12%，由应力变化云图可以明显看出，二次注浆加固后的巷道应力集中现象得到了很大程度的降低，间接地证明二次注浆加固能够提高破碎围岩体的整体性，改善应力集中现象。

由图3模拟数据分析得出：二次注浆加固后，巷道的最大垂直位移从931mm降低至395mm，相对于二次注浆前减少了58%之多。

由图4模拟数据分析得出：二次注浆加固后，巷道的最大水平位移从774mm降低至272mm，相对于二次注浆前减少了66%。

表1 二次注浆前后煤岩体力学参数

5 结论

（1）根据现场调研与理论分析，确定复用巷道在超前支承压力达到峰值的位置进行一次注浆加固，并于滞后采煤工作面的变形速度最大处进行二次注浆。

（2）经过现场工程试验，在复用巷道水平位移方面：二次注浆加固后相对于二次注浆前减少503mm的移近量；在复用巷道垂直位移方面：二次注浆加固后相对于二次注浆前减少537mm的移近量，基本满足现场要求，也进一步验证了数值模拟的正确性。

图2 二次注浆前后巷道应力变化云图

图3 二次注浆前后巷道垂直位移变化云图

图4 二次注浆前后巷道水平位移变化云图