郜冬冬，朱 帥

(1. 山西高河能源有限公司，山西 長治 047100；2. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

煤炭在我國能源消費結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的意義。伴隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，能源消費總量日益增加，這給有限的煤炭資源帶來了沉重的負擔，所以，提高煤炭資源利用率、優(yōu)化煤炭開采工藝越來越重要。沿空留巷的發(fā)展給煤炭資源的合理開發(fā)帶來了新的契機，無煤柱沿空留巷也在我國多個礦區(qū)得到了成功應用，潞安集團的高河能源、常村煤礦和余吾煤業(yè)成功實施了有煤柱沿空留巷技術。

山西高河能源有限公司(以下簡稱“高河能源”)為設計生產(chǎn)能力600萬t/a的特大型生產(chǎn)礦井，對采掘銜接要求很高。W1319采煤工作面的沿空留巷即W1319的進風巷(原W1318進風巷)部分區(qū)域在一次采動影響后變形破壞嚴重，煤柱幫出現(xiàn)大量的錨桿錨索斷裂、退錨現(xiàn)象，頂板下沉明顯，柔模充填體多處壓裂，二次采動期間巷道圍巖控制難度較高。因此，為確保W1319工作面安全回采，提出對W1319進風巷進行煤幫和頂板整體注漿的補強加固措施。因為漿液在圍巖中的擴散范圍取決于巷道圍巖裂隙發(fā)育程度，裂隙發(fā)育程度高則漿液在圍巖中擴散范圍大；反之，裂隙發(fā)育程度低則漿液在圍巖中的擴散范圍小。然而，裂隙發(fā)育程度越高意味著巷道圍巖變形破壞越嚴重，注漿時機選擇過早圍巖吃漿量少，注漿效果不佳；注漿時機選擇過晚，巷道圍巖變形破壞嚴重，注漿已經(jīng)不能有效的重塑圍巖，注漿時機只有選擇巷道圍巖裂隙發(fā)育充分且又具有較高的可重塑性時效果才最佳[1-2]。因此，本文針對W1319進風巷圍巖特征，通過數(shù)值模擬的方法模擬在工作面前方不同距離處注漿對巷道圍巖變形量的控制效果，進而確定合理的注漿時機，并為類似巷道圍巖控制提供參考。

1 基本概況

W1319工作面所采煤層為3號煤層，平均煤厚6.5 m，煤層平均傾角5°，埋深450 m。W1319進風巷南邊為處于西一盤區(qū)的W1319工作面，北邊為W1318工作面采空區(qū)，西側(cè)為5條大巷并與其中的+450 m水平南翼輔助運輸大巷相通，具體巷道位置見圖1。

圖1 W1319工作面巷道位置示意

W1319進風巷沿底掘進，隨著W1318綜采工作面的推進在巷道北幫鋪設柔模墻，巷道凈寬度為4 000 mm，高度為3 850 mm，一次回采后支護斷面見圖2。在一次采動影響后，W1319進風巷變形主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近，分別達到了450 mm、300 mm，底板及柔模墻幫變形不大，一次回采后巷道變形特征見圖3。

圖2 巷道支護斷面(mm)

圖3 巷道變形破壞形式示意

2 注漿機理分析

在原巖應力條件下，煤體內(nèi)存在大量裂隙，但這些裂隙都較小，對煤體的承載能力影響不大。W1319進風巷經(jīng)過掘巷、W1318工作面回采擾動，煤體內(nèi)原有的小裂隙得到擴張發(fā)展，甚至淺部煤體嚴重破壞形成煤塊或者顆粒，導致煤體原有的承載能力降低，錨桿錨索的錨固能力也大大下降，受到多次擾動影響后的巷道圍巖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，注漿機理主要有以下兩點[3]：

1) 注漿漿液充填煤巖體內(nèi)的裂隙，增加圍巖的凝聚力，使得已經(jīng)破碎松散的圍巖重新加固成一個整體，提高圍巖巖石力學參數(shù)，從而控制圍巖的進一步變形破壞。

2) 注漿能夠有效增強錨桿與圍巖的錨固強度。W1319進風巷掘進時支護的錨桿錨索的錨固力會隨著圍巖的破碎慢慢降低，注漿后的圍巖整體性增強，錨桿錨索錨固圍巖的效果又重新得到完善。根據(jù)經(jīng)驗，注漿后錨桿錨索的錨固力甚至會達到注漿前的3倍，且其衰減速度也會慢很多。

圖4 巷道圍巖結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)前人研究得出的結(jié)論，依據(jù)巷道圍巖特征確定注漿時機。注漿時機過早，圍巖內(nèi)裂隙、孔隙發(fā)育不充分，煤巖體注漿量少，達不到有效控制圍巖變形的作用；注漿時機過晚，圍巖承載力嚴重破壞，巷道變形過大，此時注漿為時已晚。所以，針對沿空留巷的注漿需要在裂隙發(fā)育與巷道變形破壞程度之間找到一個平衡點，即注漿時既能保證煤巖體有足夠的吃漿量又不至于巷道變形破壞嚴重漿液加固能力降低，實現(xiàn)最有效控制圍巖持續(xù)變形的目的[4-6]。

根據(jù)高河能源地質(zhì)條件，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬W1319工作面回采前以及在推進前方20 m、50 m、80 m、120 m注漿時工作面前方10 m位置進風巷及圍巖的變形情況，建立三維模型如圖5所示，模擬結(jié)果如圖6-11所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

圖6 W1319工作面回采前位移云圖

圖7 W1319工作面前方20 m注漿位移云圖

圖8 W1319工作面前方50 m注漿位移云圖

圖9 W1319工作面前方80 m注漿位移云圖

圖10 W1319工作面前方120 m注漿位移云圖

圖11 頂板下沉量對比

圖12 煤幫移近量對比

由于W1319進風巷變形量主要體現(xiàn)在頂板下沉和煤幫移近，所以，在此以頂板和煤幫的變形量作為判斷注漿效果的依據(jù)。根據(jù)模擬云圖與變形量對比圖可以看出：

1) 因為W1319工作面回采前巷道只受到掘進和W1318工作面回采的影響，W1319工作面回采時進風巷再次受到擾動影響進一步變形，所以在二次回采前巷道變形量最小。

2) 在W1319工作面前方20 m時注漿，雖然巷道裂隙發(fā)育最充分、吃漿量大，但是由于巷道已經(jīng)產(chǎn)生很大變形，再進行注漿為時已晚。

3) 在50 m時對進風巷進行注漿，頂板下沉量730 mm,煤幫移近量588 mm，此時巷道變形量最小，控制效果最佳。

4) 在距離工作面80 m、120 m時巷道受二次采動影響小，圍巖中裂隙未得到進一步發(fā)育，此時注漿圍巖吃漿量小。當后期二次回采超前支承壓力作用時巷道承受能力有限，漿液與圍巖組成的新的結(jié)合體再一次被破壞，所以圍巖控制效果不佳。

綜合考慮，應在工作面前方50 m位置進行注漿。

4 結(jié) 語

根據(jù)W1319進風巷圍巖破壞特征與注漿機理，進行FLAC3D數(shù)值模擬，得出在二次回采時工作面前方50 m位置作為注漿時機巷道圍巖變形量最小，巷道圍巖裂隙發(fā)育充分且又具有較高的可重塑性,注漿效果最佳。