注漿加固技術(shù)在沿空掘巷中的應(yīng)用探討

孟三軍

（山西潞安環(huán)能上莊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

目前國(guó)內(nèi)深井開采工作面掘進(jìn)方式主要采用沿空掘巷。 根據(jù)采空區(qū)應(yīng)力分布曲線圖可知，在臨近采空區(qū)掘進(jìn)時(shí)，將掘進(jìn)巷道布置在距離采空區(qū)一定位置，可以大大減少巷道所承受的壓力，能夠減輕掘進(jìn)巷道支護(hù)難度。 但是隨著工作面的回采，新采空區(qū)的形成會(huì)打破原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，影響通風(fēng)和物料運(yùn)輸[1-4]。因此，對(duì)沿空掘巷煤柱進(jìn)行注漿加固，提高煤柱強(qiáng)度，是保證回采期間巷道支護(hù)穩(wěn)定的有效手段。

1 工作面概況

常村煤礦1107 工作面，煤厚平均6.5 m，傾角5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層偽頂局部發(fā)育為炭質(zhì)泥巖和泥巖，直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為中- 細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖和泥巖。 1107 工作面走向長(zhǎng)度為1 150 m，傾向長(zhǎng)度為175 m；東臨1109 工作面采空區(qū)。1107 工作面上巷為回風(fēng)巷，緊鄰1109 工作面，留設(shè)8 m煤柱進(jìn)行沿空掘巷，沿頂掘進(jìn)，見圖1。

圖1 1107 工作面位置關(guān)系

1107 上巷為矩形支護(hù)， 凈斷面為寬5 m×高4 m，采用錨網(wǎng)支護(hù)；頂板共布置一排5 根錨索，工作面內(nèi)側(cè)和沿空側(cè)分別布置5 根錨索，排間距0.85 m；每隔1.6 m布置兩根長(zhǎng)度分別8.3 m和10.3 m的補(bǔ)強(qiáng)錨索用以加強(qiáng)支護(hù)。 1107 工作面上巷支護(hù)，見圖2。

圖2 1107 上巷斷面

2 沿空掘巷煤柱頂板巖層受力分析

沿空掘巷護(hù)巷煤柱位于1107 工作面上巷和1109 工作面采空區(qū)中間，能夠起到隔離采空區(qū)的作用，防止漏風(fēng)和瓦斯逸出，同時(shí)一定寬度的煤柱可以利用采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律，有效減少所受應(yīng)力。 但是護(hù)巷煤柱緊鄰采空區(qū)，受到采空區(qū)覆巖影響較大， 采空區(qū)頂板巖石斷裂后發(fā)生下沉和移動(dòng)，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，特別是巖體B，其狀態(tài)直接影響煤柱的穩(wěn)定性。 在本工作面開始回采時(shí)，因受采動(dòng)影響，巖體B會(huì)發(fā)生很大的形變和回轉(zhuǎn)，此時(shí)實(shí)體煤、護(hù)巷煤柱和巷道將共同承受應(yīng)力變化，如果護(hù)巷煤柱不能提供較強(qiáng)的剛性而發(fā)生塑性變形，則塑性失穩(wěn)狀態(tài)會(huì)傳遞給巷道，使巷道頂板及兩幫發(fā)生多處變形和位移。 所以，提高沿空掘巷煤柱強(qiáng)度對(duì)保護(hù)沿空巷道具有重要意義。1107 工作面上巷在掘進(jìn)期間變形較小，但回采過(guò)程中巷道兩幫出現(xiàn)了明顯的位移，最大位移量1.8 m，嚴(yán)重破壞巷道圍巖穩(wěn)定性，出現(xiàn)冒頂片幫等安全問(wèn)題。 因此需要對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行加固，提高回采過(guò)程中的抗壓能力。

圖3 沿空掘巷煤柱上覆巖層力學(xué)分析

3 注漿加固技術(shù)方案

為了解決回采過(guò)程中沿空巷道圍巖變形問(wèn)題，對(duì)8 m護(hù)巷煤柱進(jìn)行了注漿加固。 利用漿液對(duì)護(hù)巷煤柱塑性區(qū)域進(jìn)行滲透， 同時(shí)填充煤體及圍巖裂隙，增加護(hù)巷煤柱整體的穩(wěn)定性和抗壓性能。 通過(guò)注漿加固還可以提高煤柱的密閉性， 防止漏風(fēng)、滲水等情況發(fā)生。 本次注漿加固選擇在1107 上巷距切眼180 m處進(jìn)行試驗(yàn)，工作面護(hù)巷煤柱加固長(zhǎng)度80 m。

注漿加固參數(shù)選擇：

1）注漿材料：主要組分為水、水泥、TWK-1 復(fù)合劑和TWK-2 固化劑等組成，其混合比例為水:水泥：TWK-1 復(fù)合劑:TWK-2 固化劑=0.5:0.85:0.15:1.5，經(jīng)測(cè)試，按照上述配比的注漿材料凝固后抗壓強(qiáng)度近20 MPa，并具有相對(duì)的韌性。

2）注漿范圍：注漿范圍可按照圍巖松動(dòng)圈公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：R為松動(dòng)圈半徑；r為巷道寬度；P為巷道所受回采動(dòng)壓；φ為煤柱內(nèi)煤體內(nèi)摩擦角；C為煤柱內(nèi)煤體內(nèi)聚力；Ps為煤柱的支護(hù)反力，經(jīng)計(jì)算，松動(dòng)圈的最大半徑為4.5 m，因?yàn)樽o(hù)巷煤柱較窄，若注漿范圍過(guò)大有可能導(dǎo)通采空區(qū)，致使注漿材料大量浪費(fèi)甚至影響安全生產(chǎn)，綜合考慮，確定孔深為3 m。

3）注漿壓力：注漿壓力的選擇既要保證漿液可以有效的滲入煤體孔隙和裂隙，又要防止壓力過(guò)大產(chǎn)生煤體壓裂，形成新的裂縫，破壞煤體剛性和穩(wěn)定性。 考慮到二1 煤層煤體強(qiáng)度和沿空煤柱及圍巖裂隙發(fā)育情況，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，確定注漿壓力為1～2 MPa。

4）注漿孔設(shè)計(jì)與施工：注漿鉆孔采用“X”形布置，上部孔距頂1 m，下部孔距底1 m，中部孔位于巷道正中，距上部孔和下部孔間隔均為1 m。 上部孔以仰角15°施工， 中部孔和下部孔以平孔施工。注漿孔由切眼向外依次施工并注漿。 注漿孔設(shè)計(jì)，見圖4。

圖4 注漿孔設(shè)計(jì)

5）注漿設(shè)備：本次采用的注漿設(shè)備包括1 臺(tái)型號(hào)為2ZBQ50／19 的雙液注漿泵和2 個(gè)型號(hào)為QB260 的攪拌桶，2 個(gè)成漿桶，以及混合器和注漿管路等。

6）注漿工藝：本次利用管體焊有鐵絲（內(nèi)外兩側(cè)均有）的封孔管和射漿管注漿，封孔長(zhǎng)度1 m，在封孔管兩端鐵絲上纏繞封堵棉紗并預(yù)留封孔通道進(jìn)行封孔，封孔凝固后進(jìn)行注漿。 注漿應(yīng)注至鉆孔停止吃漿為止。

4 注漿加固情況回采驗(yàn)證

護(hù)巷煤柱注漿加固完成后，在回采過(guò)程中定期對(duì)沿空巷道兩幫變形量進(jìn)行觀測(cè)，量取兩幫距離巷道正中線的距離， 并繪制該巷道兩幫變形曲線，見圖5。

圖5 1107 上巷兩幫變形曲線

由曲線圖5 可知，巷道實(shí)體煤一側(cè)受采動(dòng)影響較大，最大變形量約1 m；未采取措施情況下工作面煤柱側(cè)巷幫最大變形量約0.8 m，與之相對(duì)應(yīng)的在注漿加固之后，煤柱幫的變形量大大減少，最大變形量不足0.1 m。 通過(guò)對(duì)護(hù)巷煤柱的注漿加固，加強(qiáng)了煤柱的剛性和穩(wěn)定性，在受到采動(dòng)動(dòng)壓影響的情況下基本保持了支護(hù)不發(fā)生變形，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）沿空掘巷巷道護(hù)巷煤柱在巷道掘進(jìn)期間受應(yīng)力作用較小，可保持穩(wěn)定。 但回采期間由于應(yīng)力急劇變化導(dǎo)致巷道圍巖及護(hù)巷煤柱發(fā)生塑性失穩(wěn)而產(chǎn)生大范圍塑性區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)受到破壞，巷道變形嚴(yán)重，需對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行注漿加固，以提高煤柱剛性，增加煤柱承載能力。

2）通過(guò)對(duì)80 m沿空巷道煤柱進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)，根據(jù)巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果：回采過(guò)程中未注漿加固前巷道實(shí)體煤側(cè)煤壁位移約0.8 m，注漿加固后煤壁位移不足0.1 m。 表明煤柱注漿加固可以保證巷道相對(duì)穩(wěn)定，變形量減少，避免不必要的修巷工作。

3）實(shí)踐證明該工程試驗(yàn)成果具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益及可推廣應(yīng)用價(jià)值。 可以在相似地質(zhì)條件的工作面和礦井進(jìn)行推廣，促進(jìn)礦井安全高效生產(chǎn)。