18503工作面复用巷道二次注浆工艺及模拟分析.pdf

432019 年第 2 期 收稿日期 2018-07-22 作者简介 何天龙（1992-），男，汉族，山西平陆人，本科， 助理工程师，主要从事煤矿安全方面的研究工作。 18503 工作面复用巷道二次注浆工艺及模拟分析 何天龙 （西山煤电晋兴能源有限公司斜沟煤矿，山西 兴县 033602） 摘 要 针对斜沟煤矿 18503 工作面复用巷道，根据现场调研及矿压观测数据分析结果，提出采用二次注浆加固的方案， 并进行了数值模拟分析。分析表明经过二次注浆加固后的复用巷道，其巷道的整体性得到了很大的提高，巷道顶底板及 两帮移近量在很大程度得到了改善，有效改善了复用巷道的支护难题。 关键词 巷道 复用 注浆 加固 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.02.018 Secondary Grouting Technology and Simulation Analysis of Reuse Roadway in 18503 Working Face He Tian-long Xishan Coal and Electricity Jinxing Energy Co., Ltd., Xiegou Coal Mine, Shanxi Xingxian 033602 Abstract Aiming at the reusable roadway of 18503 working face in Xiegou Coal Mine, according to the results of field investigation and analysis of ground pressure observation data, the scheme of secondary grouting reinforcement is put forward, and the numerical simulation analysis is carried out. The analysis shows that the integrality of the reused roadway has been greatly improved after secondary grouting reinforcement, the roof and floor of the roadway and the approaching amount of the two sides have been greatly improved, and the support problem of the reused roadway has been effectively improved. Key words roadway reuse grouting reinforcement 随着工作面采深、采高的逐步增加，矿山压力 显现越来越明显， 使得复用巷道的留设成为难题 [1-4]。 随着后期开采活动的影响，复用巷道两侧的围岩松 动圈范围逐步扩大，致使煤岩体的整体性下降，围 岩体离散程度加大，巷道支护效果降低，巷道整体 变形进一步加剧 [5]。二次采动影响下的巷道，支护 难度大，整体性差，注浆加固成为有效地提高巷道 围岩的整体性、控制巷道变形的有效方法。斜沟煤 矿 18503 工作面复用巷道采用超前注浆与滞后注浆 的二次注浆加固技术，通过现场的前期调研和力学 性能试验，初步确定现场的具体注浆参数，并结合 数值模拟和后期的工艺性试验，进一步验证该技术 对控制复用巷道的大变形有较大的帮助。 1 现场矿压规律分析 复用巷道在采动影响下，其时间和空间上与采 煤工作面有明显的分区特点。就工作面前方的支承 压力而言，通过在受采动影响的煤体中埋设的钻孔 应变计和观测工作面影响区单体柱的压力变化，可 以将工作面支承压力划分为三个区，如图 1。 a- 支承压力升高区；b- 支承压力降低区；c- 支承压力稳定区 图 1 工作面支承压力分布规律 2 复用巷道注浆时机 注浆过早的话，由于煤体自身结构完整，会使 得整体注浆效果不明显；但如果注浆时间过晚，由 于煤体在复合压力作用下破碎严重，这种情况下会 使得注浆液消耗量大，造成材料不必要的浪费。 根据现场对支承压力的监测，选择压力值达到 442019 年第 2 期 峰值时开始注浆。就二次注浆而言，根据现场工作 面推进情况，选择滞后支承压力对复用巷道产生影 响时开始注浆。 前期超前注浆会使得煤体整体性高，煤体具有 一定的强度。滞后二次注浆选择在滞后工作面处， 因为在支承压力作用下，该处巷道两帮裂隙发育充 分，有利于浆液在煤岩体中的扩散，能够较大程度 上提高煤岩体的整体强度。 3 复用巷道二次注浆工艺参数 3.1 二次注浆压力 注浆压力的大小影响着注浆液在巷道煤岩体中 的扩散范围和扩散速度，注浆压力的选取直接影响 着复用巷道注浆加固的效果，而注浆压力的选取又 取决于巷道周边煤岩体的力学性能、注浆液的性质 及所要求的浆液扩散半径。 注浆压力可按照经验公式（1）求得 PDƒRD （1） 式中 ƒ- 注浆过程中的压力系数，MPa/m，当注浆地 点埋深小于 250m 时，ƒ 0.0220.020；注浆地点埋 深为 250350m 时，ƒ 0.0200.018；注浆地点埋深 为 350450m 时，ƒ 0.0180.016； RD- 有效注浆长度，即复用巷道两帮围岩松动 圈半径，m。 根据前期对斜沟煤矿 18503 工作面复用巷道的 调研，可知注浆地点的埋深为 375m，ƒ 可取 0.18； 而巷道两帮的围岩松动圈半径为 2.3m，因此可以得 出适合该复用巷道的注浆压力 PD为 0.414MPa。 3.2 二次注浆量 考虑到注浆量会受复用巷道两帮围岩的裂隙发 育、松动圈范围及围岩岩性的影响，其注浆量可采 用式（2）进行计算 Qπr2Lαβn （2） 式中 Q- 二次注浆量，m3； r- 二次注浆的有效扩散半径，m； n- 巷道两帮围岩体的孔隙率，取 0.85； L- 二次注浆钻孔的整体长度，m； α- 二次注浆充填系数，取 0.70； β- 二次注浆压力衰减系数，取 1.25。 根据巷道围岩松动圈范围，二次注浆的有效扩 散半径为2.5m， 而二次注浆钻孔的整体长度为3.0m， 计算得出其注浆量 Q 为 43.79m3。 3.3 二次注浆有效半径 二次浆液在巷道两帮煤岩体裂隙中的扩散是极 为不规则的，随着煤岩体自身的渗透系数、裂隙发 育宽度、二次注浆压力、二次注浆时间的增加而逐 渐增大，随着二次浆液的浓度和二次注浆液的黏度 的增加而注浆减小。因此，现场通常以调节注浆液 的二次注浆压力、注浆量及注浆浓度等参数来控制 注浆液在煤岩体中的扩散范围。 根据以往的注浆经验，推导得出适合于二次注 浆的公式（3） R（0.871.27γh/σc）H/2 （3） 式中 γ- 煤岩体的容重，kg/m； h- 注浆地点的埋深，m； σc- 复用巷道两帮煤岩体的平均抗压强度， MPa； H- 复用巷道的巷高，m。 由式（3）可以得出二次注浆有效半径为 2.46m。 3.4 二次注浆钻孔布置方式 二次注浆钻孔孔深根据巷道两帮围岩体的松动 圈范围而定，孔间距的选择根据注浆液的有效扩散 半径而定，因此其孔间距应为二次注浆有效半径的 1.651.75 倍之间，具体根据现场施工情况而定。 4 复用巷道二次注浆效果分析 根据对斜沟煤矿 18503 工作面的前期调研， 运用 FLAC3D进行有限元模拟，通过对斜沟煤矿 18503 工作面复用巷道进行二次注浆模拟，分析二 次注浆前后巷道两帮围岩体的力学特性和位移变化 情况。 （1）煤岩体力学参数 根据对斜沟煤矿 18503 工作面注浆前的取样岩 芯与注浆后的取样岩芯分别进行实验室力学性能测 试，得出斜沟煤矿 18503 工作面二次注浆前后煤岩 体的力学参数，如表 1 所示。 （2）二次注浆前后模拟分析 由图 2 模拟数据分析得出二次注浆加固后， 巷道两帮的应力峰值较二次注浆前降低了 12，由 应力变化云图可以明显看出，二次注浆加固后的巷 道应力集中现象得到了很大程度的降低，间接地证 明二次注浆加固能够提高破碎围岩体的整体性，改 善应力集中现象。 452019 年第 2 期 由图 3 模拟数据分析得出二次注浆加固后， 巷道的最大垂直位移从 931mm 降低至 395mm，相 对于二次注浆前减少了 58 之多。 由图 4 模拟数据分析得出二次注浆加固后， 巷道的最大水平位移从 774mm 降低至 272mm，相 对于二次注浆前减少了 66。 表 1 二次注浆前后煤岩体力学参数 岩石类型 抗拉强度 /MPa 内聚力 /MPa 内摩擦角 / 泊松比 弹性模量 /GPa 密度 kg/m3 粉砂岩9.88.5380.2229.712735 砂质泥岩7.081.8370.2827.082776 3煤 （注浆前） 2.370.27380.252.371382 砂质泥岩6.51.0280.1813.72611 粉砂岩8.87.2260.2219.62628 3煤 （注浆后） 2.370.52280.252.371783 5 结论 （1）根据现场调研与理论分析，确定复用巷 道在超前支承压力达到峰值的位置进行一次注浆加 固，并于滞后采煤工作面的变形速度最大处进行二 次注浆。 （2）经过现场工程试验，在复用巷道水平位 移方面二次注浆加固后相对于二次注浆前减少 503mm 的移近量；在复用巷道垂直位移方面二次 注浆加固后相对于二次注浆前减少 537mm 的移近 量，基本满足现场要求，也进一步验证了数值模拟 的正确性。 a 二次注浆前 b 二次注浆后 图 2 二次注浆前后巷道应力变化云图 a 二次注浆前 b 二次注浆后 图 3 二次注浆前后巷道垂直位移变化云图 a 二次注浆前 b 二次注浆后 图 4 二次注浆前后巷道水平位移变化云图 【参考文献】 ［1］ 胡国伟，靳钟铭 . 大采高综采工作面矿压观测及 其显现规律研究 [J]. 太原理工大学学报，2006， 37（02）127-130. ［2］ 赵军，彭博，柳杰，等 . 大埋深大采高回采巷道 矿压显现规律研究[J].煤矿开采， 2013， 18 （04） 100-103. ［3］ 钱鸣高，茅献彪 . 采场覆岩中关键层上载荷的变 化规律 [J]. 煤炭学报，1998（02）135-139. ［4］ 钱鸣高，石平五，许家林 . 矿山压力与岩层控制 [M]. 中国矿业大学出版社，2010. ［5］ 李云，韩立军，孙昌兴，等 . 大松动圈破碎围 岩二次注浆加固试验研究 [J]. 煤炭科学技术， 2012，401219-23. （上接第 42 页） 能够有效地控制区域范围内顶板下沉和两帮收缩， 支护方式较为合理。 4 结语 采空区下近距离煤层顶板受到上部煤层开采破 坏影响，其强度和完整性大幅度降低，支护难度较 大。在选择采空区下近距离煤层回采巷道支护方式 时，应了解和掌握顶板破坏特征，选择合理的支护 方式。29205 工作面支护实践表明，通过采用差异 支护可有效控制采空区下近距离煤层回采巷道变形 破坏，该支护应用为西曲矿采空区下近距离煤层回 采巷道支护积累了实践经验。 【参考文献】 ［1］ 王芝广 . 极近距离煤层采空区下煤层巷道支护研 究 [J]. 山西煤炭，2015（04）40-43. ［2］ 刘伟 . 近距离煤层采空区下回采巷道合理位置确 定 [J]. 江西煤炭科技，2017（02）105-107. ［3］ 高建军，张忠温 . 平朔矿区近距离煤层采空区下 巷道支护技术研究 [J]. 煤炭科学技术，2014，42 （05）1-4. ［4］ 韩春晓，吕庆刚，张振凯 . 近距离煤层采空区下 巷道锚杆支护的探索 [J]. 水力采煤与管道运输， 2008（03）65-68.