综放工作面沿空留巷合理注浆时机研究

2019-03-21郜冬冬

煤 2019年3期

郜冬冬，朱帅

(1. 山西高河能源有限公司，山西长治 047100；2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221008)

煤炭在我国能源消费结构中具有举足轻重的意义。伴随着我国经济快速发展，能源消费总量日益增加，这给有限的煤炭资源带来了沉重的负担，所以，提高煤炭资源利用率、优化煤炭开采工艺越来越重要。沿空留巷的发展给煤炭资源的合理开发带来了新的契机，无煤柱沿空留巷也在我国多个矿区得到了成功应用，潞安集团的高河能源、常村煤矿和余吾煤业成功实施了有煤柱沿空留巷技术。

山西高河能源有限公司(以下简称“高河能源”)为设计生产能力600万t/a的特大型生产矿井，对采掘衔接要求很高。W1319采煤工作面的沿空留巷即W1319的进风巷(原W1318进风巷)部分区域在一次采动影响后变形破坏严重，煤柱帮出现大量的锚杆锚索断裂、退锚现象，顶板下沉明显，柔模充填体多处压裂，二次采动期间巷道围岩控制难度较高。因此，为确保W1319工作面安全回采，提出对W1319进风巷进行煤帮和顶板整体注浆的补强加固措施。因为浆液在围岩中的扩散范围取决于巷道围岩裂隙发育程度，裂隙发育程度高则浆液在围岩中扩散范围大；反之，裂隙发育程度低则浆液在围岩中的扩散范围小。然而，裂隙发育程度越高意味着巷道围岩变形破坏越严重，注浆时机选择过早围岩吃浆量少，注浆效果不佳；注浆时机选择过晚，巷道围岩变形破坏严重，注浆已经不能有效的重塑围岩，注浆时机只有选择巷道围岩裂隙发育充分且又具有较高的可重塑性时效果才最佳[1-2]。因此，本文针对W1319进风巷围岩特征，通过数值模拟的方法模拟在工作面前方不同距离处注浆对巷道围岩变形量的控制效果，进而确定合理的注浆时机，并为类似巷道围岩控制提供参考。

1 基本概况

W1319工作面所采煤层为3号煤层，平均煤厚6.5 m，煤层平均倾角5°，埋深450 m。W1319进风巷南边为处于西一盘区的W1319工作面，北边为W1318工作面采空区，西侧为5条大巷并与其中的+450 m水平南翼辅助运输大巷相通，具体巷道位置见图1。

图1 W1319工作面巷道位置示意

W1319进风巷沿底掘进，随着W1318综采工作面的推进在巷道北帮铺设柔模墙，巷道净宽度为4 000 mm，高度为3 850 mm，一次回采后支护断面见图2。在一次采动影响后，W1319进风巷变形主要体现在顶板下沉和煤帮移近，分别达到了450 mm、300 mm，底板及柔模墙帮变形不大，一次回采后巷道变形特征见图3。

图2 巷道支护断面(mm)

图3 巷道变形破坏形式示意

2 注浆机理分析

在原岩应力条件下，煤体内存在大量裂隙，但这些裂隙都较小，对煤体的承载能力影响不大。W1319进风巷经过掘巷、W1318工作面回采扰动，煤体内原有的小裂隙得到扩张发展，甚至浅部煤体严重破坏形成煤块或者颗粒，导致煤体原有的承载能力降低，锚杆锚索的锚固能力也大大下降，受到多次扰动影响后的巷道围岩结构如图4所示。

根据巷道围岩结构特征，注浆机理主要有以下两点[3]：

1) 注浆浆液充填煤岩体内的裂隙，增加围岩的凝聚力，使得已经破碎松散的围岩重新加固成一个整体，提高围岩岩石力学参数，从而控制围岩的进一步变形破坏。

2) 注浆能够有效增强锚杆与围岩的锚固强度。W1319进风巷掘进时支护的锚杆锚索的锚固力会随着围岩的破碎慢慢降低，注浆后的围岩整体性增强，锚杆锚索锚固围岩的效果又重新得到完善。根据经验，注浆后锚杆锚索的锚固力甚至会达到注浆前的3倍，且其衰减速度也会慢很多。

图4 巷道围岩结构示意

3 数值模拟分析

根据前人研究得出的结论，依据巷道围岩特征确定注浆时机。注浆时机过早，围岩内裂隙、孔隙发育不充分，煤岩体注浆量少，达不到有效控制围岩变形的作用；注浆时机过晚，围岩承载力严重破坏，巷道变形过大，此时注浆为时已晚。所以，针对沿空留巷的注浆需要在裂隙发育与巷道变形破坏程度之间找到一个平衡点，即注浆时既能保证煤岩体有足够的吃浆量又不至于巷道变形破坏严重浆液加固能力降低，实现最有效控制围岩持续变形的目的[4-6]。

根据高河能源地质条件，运用FLAC3D数值模拟软件，分别模拟W1319工作面回采前以及在推进前方20 m、50 m、80 m、120 m注浆时工作面前方10 m位置进风巷及围岩的变形情况，建立三维模型如图5所示，模拟结果如图6-11所示。