強(qiáng)礦壓工作面回撤通道失穩(wěn)機(jī)理與注漿加固技術(shù)

李國(guó)良，李瑞群

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300)

神東煤炭集團(tuán)公司每年有50多個(gè)綜采工作面需要搬家回撤，主要采用輔巷多通道回撤技術(shù)進(jìn)行作業(yè)[1-3]。采用該技術(shù)進(jìn)行搬家回撤時(shí)，工作面與回撤通道貫通前需要通過改變工作面推進(jìn)速度來適應(yīng)強(qiáng)礦壓作用，通常采用停采的方式調(diào)整圍巖壓力顯現(xiàn)，保證工作面與回撤通道貫通后不再因承受強(qiáng)礦壓作用而導(dǎo)致回撤通道失穩(wěn)。而在停采等壓時(shí)，如果停采位置選擇不當(dāng)或剩余煤柱強(qiáng)度不夠，則會(huì)發(fā)生大面積片幫冒頂和壓架事故。不但大大降低工作面回撤效率，而且嚴(yán)重影響工作人員及設(shè)備安全，故弄清不同礦壓環(huán)境下回撤通道變形失穩(wěn)規(guī)律及其煤柱加固技術(shù)，是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)急需解決的技術(shù)難題。

國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者就工作面末采階段的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究。谷拴成、呂華文對(duì)末采期間剩余煤柱進(jìn)行力學(xué)分析，得出了回撤通道兩側(cè)煤體的應(yīng)力變化特點(diǎn)[5]。于憲陽(yáng)、張農(nóng)等對(duì)采動(dòng)影響破壞煤幫及注漿重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了深入分析，得出了注漿加固對(duì)破碎巖塊承載能力恢復(fù)的主要原理[6]。楊娟[7]以察哈素煤礦3101首采面末采階段開采實(shí)踐為工程背景研究了工作面推進(jìn)速度對(duì)來壓特征的影響，總結(jié)出了停采讓壓、降低采高、增加支架阻力、掛柔性網(wǎng)以及對(duì)回撤巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等手段，以減輕采動(dòng)應(yīng)力對(duì)工作面和回撤通道的影響。呂坤等[8]提出在特厚煤層綜放工作面回撤通道的支護(hù)中，要堅(jiān)持主控“頂板和煤柱幫”的原則，并著重強(qiáng)調(diào)在工作面即將貫通時(shí)，采場(chǎng)強(qiáng)大的支承壓力會(huì)使煤體變形破壞嚴(yán)重，需要提前注入適當(dāng)馬麗散加強(qiáng)支護(hù)。郭浩森等[9]以不連溝煤礦F62001工作面末采期為研究對(duì)象，通過理論分析與工程類比結(jié)合的方法，提出小斷面調(diào)節(jié)巷和高程測(cè)量法相結(jié)合的手段控制工作面頂?shù)装鍢?biāo)高以及回撤巷道選用錨網(wǎng)索和H型鋼梁組合支護(hù)形式控制回撤通道變形的方法。李學(xué)才[10]針對(duì)趙莊礦大采高工作面出現(xiàn)的片幫、漏頂問題，制定了回撤通道深孔注漿方案并達(dá)到預(yù)期效果。王惠風(fēng)等[11]為解決保德煤礦81505綜放工作面回撤時(shí)間長(zhǎng)、安全性差的難題，實(shí)施了提高工作面支架阻力、注入高分子材料、優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式等頂板控制技術(shù)的工藝，實(shí)現(xiàn)了81505綜放工作面安全高效貫通回撤。近年來注漿加固技術(shù)在巷道支護(hù)中取得較好的應(yīng)用效果，對(duì)于回撤通道圍巖加固也有相關(guān)應(yīng)用[12-14]，但對(duì)于回撤通道加固中的注漿時(shí)機(jī)確定、加固原理仍不明確。特別是在神東煤炭公司生產(chǎn)實(shí)踐中，多次出現(xiàn)因?yàn)轭A(yù)留回撤通道煤柱失穩(wěn)導(dǎo)致巷道大變形失穩(wěn)問題，給工作面安全回撤帶來了一定的安全隱患。因此，亟待尋求科學(xué)有效的回撤通道圍巖注漿加固技術(shù)。

1 工程概況

布爾臺(tái)煤礦22206綜采工作面長(zhǎng)320m，推進(jìn)長(zhǎng)4543m，末采段煤層埋深330～350m，煤厚3.3～4.1m，傾角1°～3°。末采段整體含1層夾矸，夾矸為0.1～0.5m厚砂質(zhì)泥巖。主回撤通道整體巷道高度2.8～3.5m，留頂煤厚度最大0.8m，最大割底量0.35m，留底煤最大厚度0.8m。實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回撤對(duì)提高礦井生產(chǎn)效率具有重要意義。

2 末采時(shí)剩余煤柱穩(wěn)定性分析

通過對(duì)大柳塔煤礦中工程應(yīng)用的成功實(shí)踐進(jìn)行反復(fù)總結(jié)，得出了一種綜采工作面“調(diào)壓”的礦壓控制方法，即在工作面貫通前通過調(diào)整回采速度，使末采貫通時(shí)綜采工作面能在關(guān)鍵位置避開周期來壓，達(dá)到控制基本頂斷裂位置及來壓強(qiáng)度的目的[2]。其中停采等壓方法最為常用[7]，此方法的原理是在貫通前停采，讓工作面上部巖層得到充分活動(dòng)，使基本頂斷裂，并發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)，提前釋放壓力，從而使工作面回撤時(shí)不受周期來壓的影響[4]。停采等壓時(shí)停采位置的選擇非常關(guān)鍵，因?yàn)榛卷斒Х€(wěn)時(shí)增加了工作面與回撤通道間剩余煤柱的支承壓力，如果剩余煤柱承載力不足發(fā)生破壞，則極易導(dǎo)致上方頂板整體下沉，最終造成壓架事故。因此，研究工作面貫通前剩余煤柱力學(xué)模型[5]，通過對(duì)煤柱穩(wěn)定性分析，確定停采等壓時(shí)合理的剩余煤柱寬度對(duì)生產(chǎn)更有指導(dǎo)意義。

當(dāng)剩余煤柱寬度為w時(shí)，基本頂斷裂對(duì)應(yīng)的力學(xué)分析模型如圖1所示。在基本頂斷裂位置并沿工作面推進(jìn)方向向前的一定范圍內(nèi)，基本頂受上覆巖層自重及采空區(qū)轉(zhuǎn)移荷載作用形成了支承壓力增高區(qū)，該區(qū)域中基本頂受到超前支承壓力q1(x)作用。在基本頂斷裂位置向后的一定范圍內(nèi)，基本頂只承受垮落帶巖層自重q2作用，對(duì)于淺埋煤層q2近似為上覆巖層重量。

圖1 剩余煤柱力學(xué)分析模型

剩余煤柱破碎區(qū)寬度：

式中，R1為剩余煤柱破碎區(qū)寬度，m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；λ為側(cè)壓系數(shù)；h為回采高度，m；γ為上覆巖層平均重度，kN/m3；c為煤體黏聚力，kPa；H為上覆巖層厚度，m。

作用于剩余煤柱上的平均應(yīng)力：

式中，σa為剩余煤柱的平均應(yīng)力，MPa；Pc為剩余煤柱總載荷，N；w0為剩余煤柱壓力承載寬度，m；w為剩余煤柱寬度，m；t為傾向長(zhǎng)度，m。

煤柱強(qiáng)度為[5]：

式中，σp為煤柱強(qiáng)度，MPa；σ1為立方體煤樣單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，當(dāng)其他參數(shù)不變，c、φ值越大時(shí)，R1越小，即剩余煤柱的承載能力越大，取σa=σp，求得剩余煤柱臨界寬度w。提高煤體的粘聚力和內(nèi)摩擦角，可以增強(qiáng)剩余煤柱的承載能力，從而確保與回撤巷道貫通時(shí)的安全，避免煤柱發(fā)生脆性破壞而引發(fā)漏頂壓架等事故。

3 注漿加固機(jī)理分析

現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)注漿固結(jié)體及未注漿加固的原始煤巖體開展單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得到煤巖試塊在加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。由圖2可知，注漿固結(jié)體的c、φ值明顯增加，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度也增加。

圖2 注漿加固條件下煤巖試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線

注漿加固后試塊破壞的主要原因是剪切滑移，界面滑動(dòng)后強(qiáng)度方程為：

τ=Cp+σtanφr

(4)

式中，Cp為內(nèi)聚力，MPa；φr為剩余內(nèi)摩擦角，(°)。

由上述分析可知，注漿加固提高破碎煤巖體承載能力的原因[15]：漿液注入到破碎煤巖體裂隙面中，反應(yīng)固化后可以充填膠結(jié)裂隙，原有裂隙面間的摩擦力作用轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ梁驼辰Y(jié)雙重作用，阻止破碎煤巖塊的滑移和錯(cuò)動(dòng)，提高了內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，從而增強(qiáng)抗剪切能力；破裂后的巖塊形成互相鉸接的多個(gè)不連續(xù)塊體，塊體之間為點(diǎn)接觸或線接觸，受壓后應(yīng)力集中現(xiàn)象極其明顯，當(dāng)應(yīng)力集中位置所受應(yīng)力超過極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，當(dāng)漿液充填到破裂巖塊裂隙且反應(yīng)固化后能使各破裂塊體受力狀態(tài)明顯得到改善，阻止裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展及連通；煤巖體在受壓過程中，強(qiáng)度低的部分首先破壞形成小裂隙，并逐步擴(kuò)展成破裂面，持續(xù)加載時(shí)煤巖體會(huì)形成大量的裂隙，且各裂隙間連通率高，注漿加固后漿液優(yōu)先進(jìn)入破裂煤巖體形成的大量裂隙中，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，漿液固化后使得破裂的煤巖體重新成為一個(gè)承載整體。

為驗(yàn)證注漿加固恢復(fù)破碎煤巖體承載能力機(jī)理，在破碎煤巖體注漿后，通過分析鉆孔取芯對(duì)注漿體進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，漿液在注入煤巖體裂隙后，形成厚度、大小和數(shù)量不同的固結(jié)體，煤巖體的整體性和抗壓強(qiáng)度顯著提高。與此同時(shí)，注漿后錨桿和錨索的錨固力得到了顯著提高，充分發(fā)揮了錨桿與錨索的聯(lián)合支護(hù)作用，從而使注漿加固區(qū)域內(nèi)煤巖體的承載能力有了顯著的提升。

4 末采注漿加固技術(shù)應(yīng)用

4.1 注漿材料的選擇

綜合考慮末采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及按照《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法(試行)》的具體要求，選用新一代的硅酸鹽改性聚氨酯注漿加固材料馬麗散NS做為末采注漿加固工程的注漿材料。馬麗散NS與其他有機(jī)類加固材料對(duì)比具有以下優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)溫度小于100℃；反應(yīng)過程及生成物不受水的影響；材料本身具有阻燃性，不需要添加任何阻燃劑；材料本身具有抗靜電特性；氧指數(shù)大于28%。

4.2 剩余煤柱及最佳注漿時(shí)機(jī)的確定

工作面貫通前通過停采等壓控制基本頂斷裂位置及來壓強(qiáng)度，通過式(1)、式(2)和式(3)可確定等壓位置及其對(duì)應(yīng)的剩余煤柱寬度，并在此時(shí)開始掛網(wǎng)，并對(duì)回撤通道正幫及頂板進(jìn)行注馬麗散NS加固補(bǔ)強(qiáng)，保證貫通及回撤支架時(shí)不片幫漏頂。

工作面煤體加固前單軸抗壓強(qiáng)度σp=13MPa，上覆巖層平均重度γ=26.46kN/m3，煤體黏聚力c=3.0MPa，煤體內(nèi)摩擦角φ=28°，上覆巖層厚度H=350m，側(cè)壓系數(shù)λ=0.5，回采高度h=3.2m。求得剩余煤柱破碎區(qū)寬度R1=3.98m，剩余煤柱承壓寬度w0=2.14m，剩余煤柱寬度w=w0+2R1=10.1m。即在工作面推進(jìn)至距回撤通道正幫10.1m時(shí)，開始組織掛柔性網(wǎng)，停采調(diào)整礦壓，同時(shí)在主回撤通道的正幫及頂板進(jìn)行注漿加固補(bǔ)強(qiáng)。

4.3 注漿技術(shù)參數(shù)

22206主回撤通道、22206輔運(yùn)巷和22206運(yùn)輸巷靠近回撤通道10m段，均勻布置注漿鉆孔。注漿工程初期通過施工注漿試驗(yàn)孔、注漿效果檢測(cè)孔及取芯測(cè)強(qiáng)度等方式來確定注漿孔的合理布置參數(shù)、注漿量及注漿終壓。注漿孔垂直煤壁仰角45°開孔，孔徑42mm，孔深5m，孔間距為3～4m，封孔器距離孔口1.5m，合計(jì)86個(gè)孔，如圖3所示。注漿鉆孔使用風(fēng)鉆或錨索鉆機(jī)等鉆孔施工機(jī)具。成孔困難時(shí)，使用中空麻花鉆桿直接打入破碎煤體后，利用中空麻花鉆桿注漿。單孔注漿量850kg較為合適，注漿終壓控制在6～8MPa。若長(zhǎng)時(shí)間不升壓，采用間歇注漿方式，間隔時(shí)間不宜超過1min。注漿終壓和注漿量為注漿結(jié)束的兩個(gè)控制性指標(biāo)，以注漿壓力作為第一結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，以單孔注漿量作為第二結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。按照以上參數(shù)注漿，測(cè)得加固后煤體的單軸抗壓強(qiáng)度為13MPa。

圖3 22206工作面主回撤通道注漿孔布置參數(shù)

4.4 注漿效果分析

22206主回撤通道及工作面兩巷煤幫注馬麗散NS加固后，工作面末采最后一次周期來壓強(qiáng)度、范圍與相鄰的22205工作面相比明顯降低，末采期間相鄰兩個(gè)工作面的情況對(duì)比見表1。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，22206主回撤通道注馬麗散NS加固后，工作面貫通時(shí)的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度和范圍、機(jī)尾巷道底鼓及回撤通道頂板下沉和底鼓等均得到有效控制，實(shí)現(xiàn)工作面安全順利貫通及安全高效快速地回撤工作面設(shè)備。

表1 末采期間相鄰兩個(gè)工作面的情況對(duì)比

5 結(jié) 論

1)通過對(duì)末采剩余煤柱兩側(cè)煤體受力分析，確定了最佳注漿時(shí)機(jī)，即工作面與回撤通道間煤柱剩余寬度10.1m時(shí)進(jìn)行。

2)馬麗散NS加固材料在注入破碎煤巖體裂隙內(nèi)后，形成厚度、大小和數(shù)量不同的固結(jié)體，能夠顯著提高破碎煤巖體的整體性和抗壓強(qiáng)度，測(cè)得加固后煤體的單軸抗壓強(qiáng)度為13MPa。

3)工作面末采期間對(duì)主回撤通道正幫及頂板注馬麗散NS加固材料，能有效控制煤柱和頂板的穩(wěn)定，防止漏矸及冒頂事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全高效、快速工作面回撤。