近距离下伏煤层巷道注浆加固方法研究

2022-11-01王恩博

煤 2022年11期

王恩博

(晋能控股煤业集团生产技术部，山西大同 048200)

我国地下煤矿开采中，近距离煤层分布广泛，当上伏煤层工作面回采至距下伏煤层巷道一定距离时，对底板岩层造成一定范围的高应力区及塑性破坏区，易导致下伏煤层巷道发生严重变形[1-3]。对巷道进行有效加固是保障巷道稳定的重要前提，钻孔注浆加固技术是解决这类问题的有效手段[4-6]。为此，在近距离煤层回采中，下伏煤层巷道实施有效合理的加固方法，对于工作面安全回采至关重要。

在巷道注浆加固研究方面，李超嵩[7]对空巷变形破坏特征进行了分析，提出了采用注浆充填技术控制空巷围岩的方法；李胜利等[8]提出采用超前锚注可有效增加巷帮煤体的强度和完整性，取得了良好加固效果；马新世等[9]分析了巷道围岩注浆改性机理及巷道围岩注浆力学模型,提出了“分层掘进+滞后高压注浆+强力锚索支护”的矿压控制方案，有效控制了巷道围岩变形。通过分析前人研究成果，对于巷道围岩控制主要集中于注浆机理、超前锚注与强力支护技术方面，对于近距离煤层下伏巷道分段注浆方法有待深入研究。

本文以某矿近距离煤层开采条件为工程背景，采用数值模拟与现场监测相结合方法，研究了近距离煤层巷道变形特征，提出了巷道分段注浆加固方法，可为近距离煤层巷道稳定性控制提供工程指导。

1 工程概况

山西某煤矿主要可采煤层为9号煤与10号煤，两煤层平均间距为11.5 m，煤层平均倾角为5°，属于典型的近距离煤层。其中9号煤平均厚度为3.6 m，10号煤平均厚度为2.8 m，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。9号煤顶板为石灰岩，底板为泥岩，10号煤直接底为砂质泥岩，基本底为中粒砂岩，矿山实测综合柱状图如图1所示。

图1 矿山实测综合柱状图

10号煤层回风巷道沿煤层底板布置，巷道断面为宽×高=4.8 m×4.4 m(图2)，采取“锚杆(索)+金属网+喷射混凝土”支护方式。由于巷道顶板泥岩强度差及节理发育，受上伏9号煤层工作面回采影响，10号煤层回风巷道变形严重。在此期间，矿山采取的巷道扩帮返修措施，返修率高达65.5%，但是巷道稳定性并未得到有效控制。通过现场调查，回风巷道的破坏形式主要表现为顶板下沉与两帮挤出变形，巷道两帮最大移近量达735 mm，顶板最大下沉量达781 mm，对工作面安全回采构成严重威胁。为此，需要研究近距离煤层条件下巷道围岩加固方法，以保障下伏煤层巷道稳定及工作面安全回采。

图2 回风巷道与煤层位置关系

2 近距离煤层巷道变形特征分析

2.1 数值模型构建

研究采用数值模拟方法，对近距离煤层回采过程中下伏煤层巷道变形特征进行分析，所构建的数值模型尺寸为长×宽×高=350 m×40 m×50 m，模型四周及底部边界进行位移约束，顶部施加垂直载荷等效于上覆岩层容重。煤岩体力学参数如表1所示。

2.2 巷道垂直应力变化特征

随工作面推进，下伏煤层巷道应力分布情况见图3.当工作面与巷道水平距离为50 m时，巷道垂直应力峰值为15.4 MPa，巷道底板存在一定卸压区域；工作面距巷道水平距离为35 m时，巷道所受垂直应力最高为18.9 MPa；工作面距巷道水平距离为20 m时，巷道所受垂直应力最高为27.6 MPa，此时巷道处于高应力作用区，是巷道变形的最严重阶段；工作面距巷道水平距离为0 m时，巷道所受垂直应力最高为15.7 MPa，巷道所受应力显著降低，已避开高应力作用区。可以看出，随下伏煤层工作面推进，应力发展表现为先增加后降低趋势，应力峰值出现在工作面距巷道水平距离20 m位置。

表1 煤岩物理力学参数

2.3 巷道位移分布特征

根据前述应力分布特征研究结果，当上伏煤层工作面与巷道水平距离为20 m时，巷道所受应力达到最高，这一时期巷道位移分布情况见图4.工作面距巷道20 m时，巷道顶顶板最大下沉量为778 mm，底板最大底鼓量为250 mm，巷道两帮最大移近量约为732 mm.可以看出，这一时期巷道顶板及两帮变形严重，底板变形相对较小。

图3 随工作面推进巷道垂直应力云图

图4 距离为20 m时巷道位移云图

综合分析，随上伏煤层工作面推进，当上伏煤层工作面与巷道水平距离为20 m时，下伏煤层巷道垂直应力峰值最高可达27.6 MPa，巷道变形发展以顶板下沉及两帮挤出变形为主，巷道顶板及两帮最大变形量分别达778 mm与732 mm，必须对巷道顶板及两帮围岩采取加固措施，以保障巷道的稳定性。

3 巷道围岩合理注浆参数确定

3.1 注浆深度确定

通过上述分析，当上伏煤层工作面距巷道水平距离达20 m时，在剧烈的采动应力影响下，巷道变形严重，为此研究提出对处于高应力区的巷道围岩采取注浆加固方法，注浆材料选用425型硅酸盐水泥，水灰比为0.8∶1，为增强浆体流动性，在注浆材料中加入5%的减水剂。合理的注浆深度是保障巷道注浆效果的重要因素，需要进行系统分析。

通过现场对巷道顶板及两帮围岩进行钻孔窥视，可以掌握孔内裂隙分布特征，据此确定出合理的注浆深度。巷道顶板钻孔窥视结果见图5.可以看出，对于巷道顶板在浅部0.45 m深度较破碎，深度在4.18 m处环向裂隙发育显著，存在一定程度的离层现象，在深度7.23 m处围岩整体完整性较好，仅存在少量的纵向微裂隙。

图5 巷道顶板钻孔窥视图

巷道两帮钻孔窥视结果见图6.可以看出，孔内裂隙发育主要以纵向发展为主，在1.24 m深度与3.78 m深度位置裂隙发育显著，在7.85 m深度位置围岩较完整，存在少量的微裂隙，巷道两帮围岩塑性区主要位于浅部。

综合分析，巷道顶板及两帮围岩在3.78 m深度时裂隙发育且破碎，在7.85 m深度时围岩塑性区发展得到限制，仅存在少量微裂隙。为此，对于注浆深度的选择，分两部分进行，其中浅部注浆深度取4 m，深部注浆深度取8 m.

图6 巷道两帮钻孔窥视图

3.2 注浆压力确定

注浆压力是影响巷道注浆加固效果的另一重要因素，与对于注浆压力的确定，研究采用数值模拟方法进行分析，利用COMSOL软件模拟不同注浆压力下巷道围岩的注浆效果。构建的数值模型尺寸为长×宽×高=30 m×30 m×10 m，模型四周及底部进行位移约束，模型顶部施加垂向均布载荷等效于上覆岩层重量，根据现场巷道围岩裂隙情况，确定数值模拟用浆体物理力学参数如表2所示。

根据数值结果，计算得到不同注浆压力下巷道围岩表面受力情况，见图7.可以看出，随着注浆压力的增加，浆液对围岩施加的压力随之增加，并迅速趋于稳定。由于巷道表面裂隙围岩的极限抗拉强度约为0.62 MPa，对于浅部注浆，如图7(a)所示，当注浆压力为3 MPa时，浆体对围岩施加最大压力约为0.58 MPa，接近围岩极限抗拉强度，如果继续增加注浆压力，在浆体压力冲击作用下，可能导致围岩破裂，达不到预期效果，为此浅部注浆合理压力值取0.3 MPa.对于深部注浆，当浅部注浆完成后，围岩强度可提高75%～95%，此时围岩表面最大极限抗拉强度将达1.21 MPa，由图7(b)可以看出，当深部注浆压力为6 MPa时，浆体对围岩的最大压力值达1.19 MPa，为此深部注浆合理压力值取6 MPa.

综合分析，确定浅部钻孔注浆深度为4 m，注浆压力为3 MPa；深部钻孔注浆深度为8 m，注浆压力为6 MPa.

4 巷道围岩钻孔注浆加固方法

通过上述分析，确定了合理注浆参，进行钻孔注浆时，先对浅部巷道围岩实施注浆加固，浅部注浆完成后再对深部巷道围岩实施注浆加固，巷道顶板及两帮注浆钻孔布置形式见图8.

图7 不同注浆压力下巷道围岩所受压力值

图8 巷道注浆钻孔布置图

在巷道顶板每排布置3个注浆钻孔，其中中间钻孔沿巷道中心线垂直顶板布置，两侧钻孔与巷道顶板垂线呈45°夹角布置；巷道两帮每排布置2个注浆钻孔，钻孔与巷道边帮水平面呈15°夹角，上部钻孔距巷道拱脚处600 mm，下部钻孔距巷道底角600 mm，进行注浆时，对浅孔注浆完成后进行扫孔，随后再对深孔进行注浆。注浆设备采用ZBSB系列电动注浆泵，所用搅拌桶直径为1 000 mm，高度为800 mm，高压胶管直径为30 mm.

5 巷道注浆加固效果分析

针对近距离煤层回采过程中，下伏煤层巷道顶帮及两帮变形严重问题，研究提出的巷道钻孔注浆加固方法在矿山现场进行了工程实践，为验证该方法的可靠性，对巷道注浆加固前后变形情况进行监测对比分析，监测结果见图9.

图9 回风巷道底板垂直位移监测结果

由图8可以看出，对巷道进行注浆加固后，巷道顶板及两帮位移增长趋势缓慢，与注浆加固前相比，位移显著降低。当巷道变形趋于稳定后，顶板最大下沉量为327 mm，两帮最大移近量为295 mm；巷道未实施注浆加固前，顶板最大下沉量为781 mm，两帮最大移近量为735 mm.巷道进行注浆加固后，巷道顶板及两帮最大位移分别降低了58.1%与59.9%，对下伏煤层巷道变形实现了有效控制。