梁 鴻

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

我國煤炭開采80%以上屬于地下生產(chǎn)工程，煤層或巖層最初平衡狀態(tài)的破壞對(duì)于工作面的安全生產(chǎn)造成極大的威脅，主要表現(xiàn)為頂板下沉、底板鼓起以及兩幫移近等。為了綜采工作面的安全生產(chǎn)，除了采取常規(guī)的錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式外在，還需液壓支架對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，并采取有效的方式對(duì)工作面頂板和煤壁進(jìn)行加固[1]。目前，針對(duì)工作面頂板和煤壁的主要加固方式為注漿加固，本將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)形成注漿加固方案，并通過實(shí)踐和理論驗(yàn)證注漿加固的效果。具體闡述如下：

1 820 工作面工程概況

某礦820 工作面煤層厚度范圍為1.8～4.9 m，平均厚度范圍為3.6 m；煤層的傾角范圍為30°～52°，平均傾角值為42°；該工作面的走向長度為370 m，其中傾斜工作面的走向長度為93 m。從整體上看，820 工作面煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且該工作面東部和南部區(qū)域的煤炭均已開采完畢；工作面西部停采線，北部為工作面下順槽[2]。實(shí)現(xiàn)對(duì)820 工作面的有效加固的基礎(chǔ)為準(zhǔn)確掌握其頂?shù)装鍡l件，該工作面的頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 820 工作面頂?shù)装鍡l件

820 采用“三八制”作業(yè)方式，正規(guī)循環(huán)生產(chǎn)能力為199.7 t。820 工作面巷道斷面的寬度為4.2 m，高度為3.4 m，為半圓拱形狀，巷道采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿直徑為2500 mm，直徑為20 mm，排距為800 mm，間距為800 mm；錨索長度為6000 mm，直徑為15.4 m，錨索間距為2000 mm。在錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上配置規(guī)格為50 mm×50 mm 的金屬網(wǎng)，所安裝金屬網(wǎng)的寬度為1000 mm，長度為6000 mm。820 綜采工作面巷道的支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 820 綜采工作面巷道支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

2 820 綜采工作面頂板和煤壁注漿加固方案設(shè)計(jì)

雖然在錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的方式能夠?qū)γ簩娱_采后所呈現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行有效控制。但是，為進(jìn)一步保證煤礦綜采工作面的安全生產(chǎn)，避免由于煤壁片幫繼而導(dǎo)致的冒頂事故，還需對(duì)頂和煤壁的狀態(tài)進(jìn)行深化維護(hù)[3]。

從理論上講，煤壁穩(wěn)定性（煤壁片幫深度）受采高、液壓支架工作阻力、煤巖結(jié)構(gòu)、采煤工藝、停采時(shí)間等因素的影響。針對(duì)煤壁片幫的現(xiàn)象，一般通過提高液壓支架的初撐力和工作為、改進(jìn)回采工藝或者采用有效的注漿方式對(duì)頂板和煤壁進(jìn)行加固。鑒于820 綜采工作面的煤壁和頂板容易破碎且在實(shí)際生產(chǎn)中面臨的周期來壓明顯。因此，本文將采用注漿加固方式對(duì)工作面頂板和煤壁進(jìn)行加固。

所謂注漿加固指的是相煤壁和頂板巖層內(nèi)進(jìn)行注漿，其也是屬于對(duì)綜采工作面加固方式的一種。本工程將采用錨固和注漿加固的聯(lián)合方式，即錨注法。對(duì)于錨注法而言，可采用具備注漿功能的錨桿進(jìn)行注漿；或者在普通錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用專用注漿管對(duì)煤壁和頂板進(jìn)行注漿。鑒于采用注漿錨桿進(jìn)行注漿操作的生產(chǎn)效率高，本工程將采用注漿錨桿完成對(duì)頂板和煤壁的注漿加固[4]。一般注漿錨桿的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)820 綜采工作面的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)如下注漿方案：

根據(jù)綜采工作面頂板的破碎情況安排注漿孔之間的間距。當(dāng)工作面頂板為發(fā)生較為嚴(yán)重的冒頂情況時(shí)，每個(gè)液壓支架的位置布置一個(gè)注漿孔；當(dāng)工作面頂板已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重的冒頂情況，每個(gè)液壓支架的位置布置兩個(gè)注漿孔。所設(shè)計(jì)注漿孔的直徑為42 mm，注漿孔深度為3 m，注漿孔的傾角為45°。注漿錨桿示意圖如圖3 所示。

圖3 注漿錨桿示意圖

3 注漿加固效果分析

為驗(yàn)證一體化錨桿注漿加固的應(yīng)用效果。本節(jié)將基于FLAC3D 軟件建立820 綜采工作面的模型，對(duì)工作面注漿加固前后的情況進(jìn)行模擬。

為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠正確驗(yàn)證錨桿注漿加固的效果，將工作面巖層、煤層的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等參數(shù)一一在模型中進(jìn)行設(shè)置。其中，820 綜采工作面直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗉s為16 m，老頂?shù)某醮慰迓洳骄嗉s為30 m，周期來壓步距為15 m。設(shè)置模型的單元格數(shù)量為22500個(gè)。所搭建的820 綜采工作面模型如圖4 所示。

圖4 820 綜采工作面注漿加固模型

根據(jù)820 綜采工作面的實(shí)際情況，模型所施加的邊界條件如下：模型頂板的載荷量為30.25 MPa[5]。在上述設(shè)置的基礎(chǔ)上分別對(duì)無支護(hù)狀態(tài)和采用錨桿注漿加固支護(hù)后煤壁位移量和頂板位移量進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 注漿錨桿支護(hù)與無支護(hù)對(duì)應(yīng)效果圖

如圖5 所示，在未支護(hù)狀態(tài)下，820 綜采工作面的煤壁向外移近將近750 mm 的距離；而整個(gè)工作面頂板的下沉量達(dá)到370 mm；而且，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)煤壁移近量和頂板的下沉量還會(huì)加重。在注漿錨桿支護(hù)的狀態(tài)下，820 綜采工作面煤壁向外移近量將近90 mm，較未支護(hù)狀態(tài)得到明顯控制；整個(gè)工作面頂板的下沉量約260 mm，較未支護(hù)狀態(tài)頂板下沉量減小110 mm。

4 結(jié)語

一直以來，煤礦生產(chǎn)的安全性備受企業(yè)和工作人員的關(guān)注，尤其是對(duì)綜采工作面的冒頂事故。綜采工作面支護(hù)除了采用液壓支架外，還需采用錨桿+錨索+金屬鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方式。但是，對(duì)于容易破碎工作面需采用注漿加固方式強(qiáng)化支護(hù)。以820 綜采工作面生產(chǎn)為例，同時(shí)為提高支護(hù)效率和生產(chǎn)效率，采用錨桿注漿加固的方式進(jìn)行支護(hù)。通過數(shù)值模擬分析可知，采用錨桿注漿加固后煤壁向外移近量縮小約660 mm，頂板下沉量減小110 m。