浅析综放工作面沿空留巷合理注浆时机

2019-09-09程杰

煤矿现代化 2019年6期

程杰

（潞安集团高河能源有限公司，山西长治 047100）

0 引言

煤炭在我国能源消费结构中具有举足轻重的意义，不过伴随着我国快速的发展，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、优化煤炭开采水平越来越重要。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、常村矿和余吾煤业也成功实施过有煤柱沿空留巷。

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6.0Mt/a的特大型生产矿井，对掘衔接要求很高。高河能源W1319工作面的沿空留巷即W1319进风顺槽（原W1318进风顺槽）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，柔模充填体多出压裂，二次采动影响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，高河能源提出对W1319进风顺槽进行煤帮和顶板整体注浆的补强加固措施。在选择注浆时机时，达到浆液在围岩中的扩散范围与围岩变形量处于平衡时最佳[1-2]，本文主要针对W1319进风顺槽围岩特征，通过数值模拟的方法确定合理的注浆时机，并为高河能源类似巷道围岩控制提供一定的参考。

图1 W1319工作面进风顺槽示意图

1 研究区概况

W1319工作面所采煤层为3#煤，平均煤厚6.5m，平均煤层倾角为5°，煤层埋深在450m左右。W1319进风顺槽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+450m水平南翼辅助运输大巷相通，具体巷道位置见图1。W1319进风顺槽沿底掘进，随着W1318工作面的推进在巷道北帮铺设柔模墙，铺设柔模墙后巷道宽度为4000mm，高度为3850mm，一次回采后支护断面图见图2。在一次采动影响后，W1319进风顺槽变形主要体现在顶板下沉和煤帮移近上，分别达到了450mm、300mm左右，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 巷道支护断面图

图3 巷道变形破坏形式示意图

2 注浆机理分析

在原岩应力条件下，煤体内存在大量裂隙，但这些裂隙都比较小，对煤体的承载能力影响不大。W1319进风顺槽已经经过掘巷、W1318工作面回采扰动，煤体内原有的小裂隙得到扩张发展成大裂隙，甚至浅部煤体破坏严重形成了煤块或者颗粒，这就导致煤体原有的承载能力降低，锚杆索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总结注浆作用机理主要有以下两点[3]：

1）注浆浆液可以填充煤岩体内的裂隙，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，提高了围岩岩石力学参数和整体结构，从而控制了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进风顺槽掘进时支护的锚杆索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，锚杆索锚固围岩的效果又重新得到完善。根据以往经验，注浆后锚杆索锚固力甚至会达到注浆前的3倍，且其衰减速度也要慢很多。

图4 巷道围岩结构

3 数值模拟及分析

根据前人研究得出的结论，要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，煤岩体吃浆量小，在二次采动影响时注入的少量浆液达不到有效控制围岩变形的作用；注浆时机过晚围岩承载能力已经严重破坏，巷道变形量已经过大，此时注浆为时已晚，所以，针对沿空留巷需要在裂隙发育与巷道变形之间找到一个平衡点[4-6]。

本文根据高河能源地质条件，运用FLAC-3D数值模拟软件分别模拟W1319工作面回采前巷道变形情况，以及在W1319工作面推进前方20m、50m、80m、120m注浆时工作面前方10m位置巷道围岩变形情况，建立的三维模型，见图5。

图5 数值模拟模型图

由于W1319进风顺槽变形量主要体现在顶板下沉和煤帮移近上，所以在此以顶板和煤帮的变形量作为判断注浆效果的依据。根据变形量对比图（见图6）可以看出，在W1319工作面前方50m左右时对W1319进风顺槽进行注浆巷道变形量最小、控制效果最佳；在20m左右注浆时虽然巷道裂隙发育更加充分、吃浆量大，但是由于巷道已经产生了很大变形再进行注浆为时已晚；在80m以前注浆巷道裂隙发育尚不健全，吃浆量小，当后期二次回采带来巨大压力时巷道支撑能力有限，浆液与围岩组成的新的结合体再一次被破坏，围岩控制效果不佳。综合考虑，应在工作面前方50m左右位置进行注浆。