动压影响巷道围岩注浆加固技术研究

李昱辉

(山西煤炭运销集团 盛泰煤业有限公司，山西 晋城 048400)

煤矿巷道稳定性一直是采矿行业关注的重点问题之一，其中动压影响下巷道围岩稳定性又是其中的难点。由于受到巷道掘进以及相邻工作面回采的多次影响，巷道围岩应力分布复杂，围岩变形大，支护困难，给矿井安全生产造成一定的影响。因此针对动压巷道变形特征，采取有效的围岩加固方法具有重要的现实意义。

1 工程概况

永红煤矿主采3号煤层，平均厚度6.26 m，平均埋深280 m，煤层倾角平均3.5°，为近水平开采煤层。煤层结构简单，顶板为黑灰色粉砂岩、泥岩，易垮落；底板为深灰、黑灰色泥岩。该矿井下有沿矿界布置的3条主下山，分别为回风下山、胶带下山和材料下山。3条下山布置如图1所示，3条下山支护方式均为砌碹支护。回风下山以北为相邻煤矿工作面采空区，材料下山以南为回采工作面。3条下山受多次采动影响，围岩严重变形，严重影响着工作面的安全生产，现场巷道破坏如图2所示。

图1 3条下山位置示意

图2 巷道围岩破坏情况

2 数值模拟研究

2.1 数值模型的建立

根据钻孔柱状图建立FLAC3D数值计算模型，如图3所示。模拟煤层倾角为0°，模型尺寸：长×宽×高=250 m×20 m×70 m。模型共划分16 000个单元，32 522个节点。模型顶部为应力边界，施加上覆岩层重力5.5 MPa，侧压系数为1；底部为位移边界，限制垂直位移；左右边界限制水平位移。计算时采用的煤岩物理力学参数为实验室实测结果，见表1。

表1 煤岩物理力学参数

图3 数值计算模型

2.2 模拟结果分析

2.2.1 掘进后下山围岩破坏情况

掘巷后下山巷道围岩塑性区分布如图4所示。下山掘出后围岩应力重新分布，受集中应力的影响，在顶底板及两帮均出现一定范围的塑性区，且范围大致相同，均为3.5～4.0 m；由于3条下山间煤柱较宽，掘进期间互相影响较弱。

图4 掘巷后下山巷道围岩塑性区分布

2.2.2 一次采动后下山围岩破坏情况

一次采动后下山巷道围岩塑性区分布如图5所示。可知，3条下山受工作面采动影响，围岩破坏范围均有一定程度上的增加，其中，由于相邻煤矿工作面在回风下山一侧，所以回风下山巷道围岩塑性区范围增大比较明显，其左帮围岩塑性区范围达到7 m，与掘巷后相比增加了3 m，右帮围岩塑性区增加了2 m。

图5 一次采动后下山巷道围岩塑性区分布

2.2.3 二次采动后下山围岩破坏

二次采动后下山巷道围岩塑性区分布如图6所示。可知，3条下山受二次采动的影响，下山巷道围岩破坏范围进一步增加。由于本工作面在材料下山一侧，所以材料下山巷道围岩塑性区范围增大比较明显，其左帮围岩塑性区范围为5.5 m；右帮围岩塑性区范围为7.5 m，与一次采动后相比增加了3.5 m，变化比较明显。

图6 二次采动后下山巷道围岩塑性区分布

综上分析，3条下山开挖后，在顶底板及两帮均出现一定范围的塑性区，且范围大致相同。受到相邻工作面回采的影响，下山的塑性区破坏范围进一步增加，尤其对于回风下山和材料下山靠近回采工作一侧的影响最大，必须要进行补强加固。

3 注浆加固技术

注浆是巷道围岩加固的一种有效方法，其实质就是向存在大量裂隙的破碎煤岩体内注入浆液，使破碎的煤岩体重新胶结成整体，提高自承载能力，从而提高巷道围岩的稳定性。

3.1 注浆材料的选型

注浆材料选用ZKD高水速凝材料，该材料能在高水灰比条件下快速凝结并固化成为有一定强度的固结体，具有用水量大，固结料用量少等优点。

3.2 注浆工艺

由于ZKD型高水速凝材料分主料和配料两部分，两部分分别加水搅拌不凝固，混合后迅速凝固；考虑到井下施工条件限制、难以严格控制注浆时间等，最终选择双液注浆系统，将主料和配料两部分分别加水搅拌，分别由泵送入巷道破碎岩体内部。

3.3 注浆参数选择

1) 水灰比。综合考虑现场条件，设定注浆浆液水灰比1.4∶1。

2) 注浆压力。注浆时先零压力充填大的裂隙空间，当大的裂隙空间充填结束后再进行注浆，注浆压力设定为2.0～2.5 MPa。

3) 注浆量。单孔注浆量根据下式计算：

Q=AHπL2βλ

式中：A为浆液损耗系数，1.3～1.5；H为注浆管有效长度，m；L为浆液扩散半径，m；β为孔隙率，1%～5%；λ为浆液的充填系数，0.6～1.0。

4) 注浆孔布置。为了确保浆液能够均匀渗透到破碎围岩中，3条下山注浆孔布置如图7所示，沿巷道延伸方向间隔2 m，每个断面布置6个孔，顶板注浆孔与竖直方向夹角45°，垂直顶板向上；帮部注浆孔左右各布置2个，间距1 000 mm。注浆孔直径42 mm，孔深2 400 mm。

图7 注浆孔布置示意(mm)

注浆管采用长1.5 m、直径20 mm的钢管，如图8所示，封孔长度为1.2 m，在里段1.20 m和1.35 m处分别打D6 mm的浆液扩散孔，外端加工30 mm螺纹，注浆作业完成后作锚杆使用。

图8 注浆管加工示意(mm)

4 注浆效果分析

为了进一步验证注浆效果，采用钻孔窥视仪对注浆试验段巷道围岩进行观测，分析岩体胶结效果。在试验段巷道围岩中随机采取煤岩样，检查围岩注浆后的胶结情况。

由于篇幅所限仅选取了材料下山顶板2 m、回采侧帮部2 m位置处注浆前后岩体内部结构进行分析，如图9所示。由图可以看出，材料下山顶板未注浆前较为破碎，注浆后明显看出岩体胶结成为了一个整体，进一步提高了下山巷道顶板的稳定性；回采帮受到采动影响最大，注浆前帮部围岩破损严重，注浆后将周围破损岩体进行了胶结，增强了帮部岩体强度。

图9 材料下山围岩注浆前后内部结构变化

图10为材料下山试验段巷道顶板取出的胶结块体，可以看出，材料下山试验段巷道围岩注浆后，顶板破碎岩体内部裂隙已经被浆液充填，重新胶结为整体，且具有一定的强度，充分证明注浆效果良好，下山巷道围岩强度提高。

图10 材料下山试验段巷道顶板注浆效果

5 结 语

1) 通过对动压影响下3条下山进行数值模拟分析，下山巷道受到工作面回采影响较大，靠近工作面侧围岩变形最为严重。

2) 采取注浆加固措施来保证围岩稳定性，并对注浆材料选择、注浆孔布置、注浆量、注浆工艺等进行了详细介绍。

3) 通过对注浆前后巷道顶板窥视，注浆后围岩现场取样分析，得出通过对下山破碎区域进行注浆加固，破碎岩体实现了充分胶结，围岩强度进一步加强。