淺談綜放開采煤柱失穩(wěn)破壞的注漿加固控制技術(shù)

王澤明，李恩來

(山西潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

在厚煤層綜放開采中留設(shè)的煤柱是否穩(wěn)定，受綜放開采影響的失穩(wěn)破壞煤柱如何進(jìn)行穩(wěn)定性支護控制，是保證工作面生產(chǎn)安全的重要工作。從巷道支護的角度來講，注漿加固是與錨桿支護有效結(jié)合、相互作用的過程，當(dāng)煤柱體或巷道在應(yīng)力作用下發(fā)生破裂，巖層整體結(jié)構(gòu)力學(xué)變得越發(fā)松散、硬度降低，將不利于體現(xiàn)錨桿的支護作用，甚至可能會引起錨桿支護效果丟失，而注漿加固正好彌補了這一缺陷，即從提升煤體自身硬度和緊實度的基礎(chǔ)上，改善錨桿支護效果，是一種基于煤柱體支護原理構(gòu)建的圍巖控制方法[1]。為了加強對煤柱體穩(wěn)定性控制，提高煤炭資源的回收率，本文以52M2 工作面為例，對注漿加固技術(shù)工藝等進(jìn)行說明，并對煤柱體加固控制效果進(jìn)行模擬分析。

1 研究區(qū)概況

52M2 工作面位于王莊煤礦52采區(qū)，主采3號煤層，煤層均厚5.8 m，工作面整體向斜構(gòu)造，煤層傾角-2～15°，煤層頂?shù)装鍘r性分別為：①老頂為粉砂巖泥巖，均厚10.07 m；②直接頂為泥巖，均厚2.94 m；③直接底為粗粒砂巖，均厚1.88 m；④老底為粉砂質(zhì)泥巖，均厚4.21 m。52M2 工作面北部為5205工作面采空區(qū)，南部為52/3號工作面采空區(qū)，工作面巷道布置，見圖1。52M2運巷長度為 730 m，沿底板掘進(jìn)，采用全錨支護，斷面為 5.0 m×3.2 m的矩形，運巷側(cè)的煤柱留設(shè)寬度為8 m，風(fēng)巷側(cè)煤柱寬度呈梯形布置，寬度范圍6.0～37 m，巷道支護方式均采用全錨網(wǎng)支護，在巷道掘進(jìn)過程中，巷道整體發(fā)生的移動變形和破壞較小，巷道穩(wěn)固性較好。而在綜放開采應(yīng)力作用條件下，運巷側(cè)的煤柱體可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，將使工作面安全高效開采受到嚴(yán)重威脅。

圖1 52M2 工作面布置示意

2 注漿加固控制技術(shù)

注漿技術(shù)是一種能夠?qū)γ褐w內(nèi)部結(jié)構(gòu)、煤柱和煤層整體結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力作用，發(fā)生應(yīng)變和破壞起到有效控制的技術(shù)方法，它是一種基于煤柱體支護原理構(gòu)建的圍巖控制方法，通過向應(yīng)力作用下發(fā)生裂隙、破碎的煤柱體中注入漿體，從而整體改變煤柱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其原有應(yīng)力強度較低的物理力學(xué)特性得到加強；或者對受到應(yīng)力作用發(fā)生破壞的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制和應(yīng)力作用增強，通過注漿方法對應(yīng)力作用下破壞了的煤柱體進(jìn)行原有應(yīng)力強度的修復(fù)和增強。它的工作原理主要表現(xiàn)為：①有效改善和提升煤柱體原有的力學(xué)特征，提高相應(yīng)的應(yīng)力作用支撐強度；②可以緊實空隙，遏制受到應(yīng)力作用發(fā)生破壞的煤柱體遭受進(jìn)一步的損壞；③提升了破裂煤柱體的緊密性，重新加強了巷道支護錨桿的支護強度，進(jìn)一步提升煤柱體的穩(wěn)固性。

為了使注漿后能夠得到預(yù)想和設(shè)計的加固效果，注漿體在注入煤柱體或圍巖破裂帶時，要保持一定的速度，要求其必須達(dá)到一定的注入深度和區(qū)域，能夠在注漿后使煤柱體起到預(yù)想的支護效果和結(jié)構(gòu)強度：

1) 注漿時機的選擇。為了起到有效的注漿效果，應(yīng)當(dāng)綜合考慮漿體自身特性以及煤體破裂區(qū)的發(fā)育時間和過程，在不同時間，選擇不同流速的漿體，以及能夠達(dá)到不同的滲透效果。所以注漿時機應(yīng)當(dāng)選擇在應(yīng)力作用強度峰值過后的某個時間段和某個區(qū)域位置，該階段的注漿效果最好。注漿時機的選擇條件如下：破裂帶發(fā)育，且在應(yīng)力作用下煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幫體仍具有一定的穩(wěn)定性。

2) 注漿完成漿液固化后的強度。漿液的材料構(gòu)成和比例組成，應(yīng)當(dāng)能夠體現(xiàn)出很好的韌性、滲透性及粘結(jié)性能，能夠與煤體進(jìn)行有效的粘結(jié)，漿液固結(jié)后能夠與煤體形成完整的支護體系，固結(jié)煤體的整體強度就高。本次工作面注漿，選擇的是20 MPa超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料。

3) 注漿孔布置方式。注漿孔的布置沒有嚴(yán)格布置方式，而是基于應(yīng)力作用下煤體發(fā)生的裂隙范圍和區(qū)域等進(jìn)行注漿孔設(shè)計。但注漿孔一般按照上、下布置，且每層孔的具有一定的方位和傾角，仰角為0°，鉆孔孔深與煤柱寬度B一致，相鄰鉆孔間距為2L，如圖2(a)所示；上排鉆孔施工水平角為0°，仰角為a，鉆孔孔深為B，相鄰鉆孔間距為2L，如圖2(b)所示。

圖2 沿底掘進(jìn)注漿鉆孔布置示意

4) 注漿壓力。壓力的大小決定了注漿體是否能夠按照預(yù)期效果注入到破裂帶中，以及是否會影響到破裂帶的整體發(fā)育。所以，注漿壓力的選擇，應(yīng)當(dāng)充分考慮破裂帶的發(fā)育情況、煤層地質(zhì)構(gòu)成等因素。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料和煤層特性，選擇壓力值為2～5 MPa，壓力大小不是定值，而是隨著工程實際要求進(jìn)行改動。

5) 注漿加固與窄煤柱穩(wěn)定性控制?，F(xiàn)有研究中，對綜放回采窄煤柱穩(wěn)定性方面的研究，大都忽略了綜采工作面端頭位置，即忽略了端頭位置由于受到綜放開采產(chǎn)生的應(yīng)力變化發(fā)生的圍巖垮落，對相鄰工作面窄煤柱造成的影響。雖然現(xiàn)有研究中有對端頭圍巖注漿的實例探討，但其中對垮落形態(tài)以及注漿的相應(yīng)參數(shù)等描述、說明不足，導(dǎo)致這些實踐案例喪失了應(yīng)具有的指導(dǎo)意義。而在綜放開采實踐中，在覆巖未達(dá)到充分穩(wěn)定條件下，窄煤柱的力學(xué)環(huán)境更為復(fù)雜，在科學(xué)合理的加強支護條件的同時，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的注漿加固，防止煤柱因區(qū)域性的穩(wěn)定性喪失而導(dǎo)致整體失穩(wěn)，從而起到阻止煤柱變形、增強煤柱承載和封堵漏風(fēng)的控制作用。

堵漏風(fēng)。在受到綜放開采影響下，過窄煤柱或者破壞較為嚴(yán)重的煤柱，在煤柱體內(nèi)形成的裂隙處于貫通狀態(tài)，形成了一個漏風(fēng)通道，而對煤柱進(jìn)行注漿充填，可以有效地將漏風(fēng)通道進(jìn)行封堵，即使裂縫發(fā)育，在注漿充填后也很難形成較為順通的漏風(fēng)通道，在很大程度上可以降低煤層自然起火的危險。為了達(dá)到有效的封堵效果，充填體的高度應(yīng)與煤柱的高度一致，注漿的范圍可以根據(jù)鉆探的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如果根據(jù)鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育或漏風(fēng)通道較為發(fā)達(dá)，應(yīng)適當(dāng)加大注漿范圍并及時縮短注漿漿體的凝結(jié)時間。

阻變形。在受到綜放開采影響，窄煤柱不僅會發(fā)生較大的變形，在擾動影響下，還容易造成近采空區(qū)側(cè)煤柱支護錨桿的部分實效，從而造成窄煤柱支護效果的降低，如果頂板垮落煤巖體整體剛度不夠，不能夠為煤柱提供一定的約束力，也會造成煤柱失穩(wěn)。注漿充填增強煤柱內(nèi)巖體的剛度，在一定程度上可以提升煤柱的約束力，防止煤柱受動壓影響而變形過大。

能承載。同樣，綜放開采促使煤柱體的被動受力提升，在礦壓影響下其很難保持自身的穩(wěn)定性。注漿充填后，可使煤柱體的殘余承載力得到增強，提高煤柱體的穩(wěn)定性。同時，煤柱承載能力的增強也能為沿空巷道提供良好的應(yīng)力環(huán)境，對煤柱及沿空巷道穩(wěn)定性控制均具有重要意義。

3 注漿加固支護下煤柱變形破壞特征

注漿加固方案選用20 MPa超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料，此材料由兩部分組合而成，有利于控制漿液凝結(jié)速度，使?jié){液在管中24 h甚至更長時間內(nèi)不凝結(jié)并可泵。而該種材料凝結(jié)固化時具有微膨脹性，當(dāng)試件受力超過其最大強度，其承載能力會緩慢降低，直到殘余強度為2 MPa時取消加載，此時已破裂的試件經(jīng)過適當(dāng)養(yǎng)護便可重新愈合，固結(jié)后的煤體強度也會有所恢復(fù)。因此，對于有較大變形的煤柱，可選擇使用超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料。本文基于數(shù)值模擬軟件對注漿加固支護下的煤柱變形破壞特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1) 煤體中裂隙經(jīng)過固結(jié)后的注漿材料的充填，煤體強度增高，且塑性增強脆性減弱，煤體受力狀態(tài)變化可表明注漿加固的作用。注漿加固前后，煤柱的垂直應(yīng)力峰值分別為41.67 MPa和58.73 MPa，煤柱的應(yīng)力峰值提高了40.94%，表明超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料顯著提高了煤柱所能承受的峰值應(yīng)力，見圖3。

圖3 煤柱垂直應(yīng)力曲線圖

2) 在超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基材料注漿加固下，煤柱幫的水平位移，見圖4，注漿加固后，煤柱產(chǎn)生的最大位移量為299 mm，相比沒有采用注漿技術(shù)之前的最大位移量降低了41.02%，且煤柱仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以說明，在采用注漿加固方案中，可以適當(dāng)縮小煤柱的留設(shè)寬度。

圖4 煤柱幫水平位移曲線圖

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬分析可以看出，對煤柱體進(jìn)行注漿加固明顯提高了煤柱體整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，發(fā)生破壞后的煤體結(jié)構(gòu)得到了有效控制和應(yīng)力作用增強。但為了在綜放開采過程中維護巷道的穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)加強煤柱體變形破壞的控制實測，并且根據(jù)注漿加固基本原理對注漿加固時機、漿體結(jié)構(gòu)、注漿方法等進(jìn)行合理選擇，提高注漿加固的效果。