沿空留巷煤柱劣化區(qū)注漿改造工藝研究

周子靖

(潞安化工集團 山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

沿空留巷技術實現(xiàn)了對回采巷道保護煤柱的高效回收，同時新型的“Y”型通風方式也徹底消除了傳統(tǒng)“U”型通風條件下上隅角瓦斯積聚的技術難題，目前該工藝在一些煤層賦存穩(wěn)定、地質條件簡單的礦井已經(jīng)得到推廣應用，大量學者[1-6]對該條件下巷道的變形破壞機理等進行了系統(tǒng)研究，但是在強采動影響下沿空留巷滯后段巷道仍然面臨變形量大、維護困難等難題。本文以新元公司31004工作面的地質資料為背景，對復雜地質條件下沿空留巷變形控制技術進行了研究。

1 巖體破碎承載能力測試

1.1 試驗準備

為了測試注漿加固材料對圍巖劣化區(qū)的改性效果，文章對42.5級硅酸鹽水泥、超細水泥兩種注漿材料破碎還原后的巖樣進行了力學性能測試，整個室內(nèi)試驗過程分為兩步：首先為完整取芯試件的常規(guī)單軸加載試驗，其主要目的是測試試件的單軸抗壓強度、軸向應變、應力-應變?nèi)糖€。接著對加載破碎后的試件進行注漿加固還原，以測試注漿改性后巖石的力學特性。具體步驟如下：

1) 將現(xiàn)場巖樣加工成D50 mm×100 mm的標準試驗件。

2) 用MTS對標準試件進行單軸加載，生成完整巖石試件的應力-應變?nèi)糖€。

3) 分別以42.5級硅酸鹽水泥、超細水泥兩種材料為原料，按照0.6、0.8、1.0三種水灰比，制備漿液。將完成力學性能測試后的破碎巖樣放入注漿模具當中并進行固定，接著通過手動加壓泵向模具中泵注不同水灰比的水泥漿，當壓力達到3 MPa后停止加壓，維持壓力5 min，最后將加固完成的巖樣取出，放至恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護24 h。

4) 對養(yǎng)護完成后的試件進行打磨修整，再次進行單軸壓縮試驗，記錄相關數(shù)據(jù)。

1.2 試驗結果分析

在采用注漿加固工藝后，復原試件的峰后殘余強度較原試件有明顯的提高，在水灰比為0.8的情況下，42.5級硅酸鹽水泥、超細水泥的峰后殘余強度分別為7.39 MPa、7.32 MPa，是完整試件的2.34倍、3.06倍。與完整試件相比，注漿復原后巖石試件的峰值強度有所降低，當水灰比為0.8時，以42.5級硅酸鹽水泥、超細水泥為基料的漿液峰值強度分別為10.32 MPa、13.02 MPa，而完整巖樣的峰值強度分別為21.36 MPa、21.75 MPa，如圖1所示。

圖1 完整試件及注漿加固還原試件力學性能測試

漿液中水泥粒徑的大小對注漿效果有直接的影響。現(xiàn)場注漿過程中普遍設計壓力為2～3 MPa，從注漿原理分類來看屬于低壓滲透注漿。根據(jù)文獻[4]的研究成果，漿液能夠有效封堵裂隙的最大寬度一般不超過其混合液體中水泥最粗粒徑的3倍。較傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥，超細水泥的顆粒直徑不足前者的0.1，所以在泵注過程中可涵蓋發(fā)育寬度更小的裂隙，同時超細水泥能夠與水很好地融合，在此次試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在水灰比為1.0時才產(chǎn)生離析現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥在水灰比為0.8時已經(jīng)出現(xiàn)析水，所以本次注漿選擇水灰比為0.8的超細水泥。

2 注漿關鍵參數(shù)確定

為監(jiān)測沿空留巷煤柱側回采期間不同部位的裂隙發(fā)育情況，本文以工作面切巷為基準位置，沿工作面推進方向，在其前后100 m范圍內(nèi)以一定間隔布置窺視鉆孔，窺視鉆孔的設計深度為20 m。

2.1 煤柱幫鉆孔窺視分析

如圖2所示，在距離切眼巷30～50 m范圍內(nèi)煤柱幫的裂隙區(qū)深度為0.28 m，從裂隙的成因看基本屬于原生裂隙。在距離切巷0～15 m范圍內(nèi)，煤柱裂隙開始向深部擴展，并且伴有大量的新生裂隙，主要原因是該處屬于工作面應力升高帶影響區(qū)，通過實測，該處的應力集中系數(shù)達2～6，所以在應力集中區(qū)的影響下，煤柱裂隙呈現(xiàn)出快速發(fā)育擴展的趨勢，發(fā)育深度為0.8～2.2 m。在工作面后方0～60 m，最大裂隙發(fā)育深度達3.74 m，主要原因是工作面回采過后頂板尚未垮落，煤柱及巷幫充填體作為主要的承載單元將承受頂板較大的側向支撐壓力。在工作面后方60～100 m的位置，裂隙開度雖進一步增大，但是發(fā)育深度僅較上一觀測單元增加了0.59 m，主要是工作面頂板已經(jīng)完成回轉下沉并趨于穩(wěn)定，煤柱所受應力也逐漸減小。

圖2 煤柱幫裂隙區(qū)最大發(fā)育深度統(tǒng)計

2.2 注漿時機選擇

本文運用FLAC3D數(shù)值模擬手段對不同注漿時間段內(nèi)巷道的變形量進行了研究。以圖1試驗數(shù)據(jù)為基礎，通過對塑性區(qū)圍巖的二次賦值來模擬注漿工藝對圍巖的改性作用，因篇幅限制，本文只列出關鍵數(shù)據(jù)的提取結果。由圖3可知，注漿時機與巷道變形量整體呈U型變化趨勢，在工作面前10 m至工作面后方20 m范圍內(nèi)注漿，此時的巷道變形量較小，僅為493～497 mm，主要原因是該段屬于巷道回采期間的強采動影響區(qū)，煤柱幫裂隙發(fā)育較為充分，但未波及到主動支護體錨固端位置，所以在此時注漿既可提高煤柱的強度，同時又能夠充分調動原有幫錨桿等支護構件的主動支護作用。

圖3 不同注漿時機巷道兩幫變形量

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗

31004輔助進風巷沿空留巷期間變形量較大，在現(xiàn)有的200 m留巷空間內(nèi)，底鼓量在700～1 000 mm，煤柱幫側應力集中現(xiàn)象明顯，在布設的10個測點中，幫鼓量在600～800 mm之間，增加了二次復用期間的整巷難度和成本支出。

本次設計在煤柱幫原有支護的基礎上補打兩根長度為2 600 mm的注漿錨桿，該型錨桿由4分鋼管制成，底端壓扁后進行二次封堵處理，如圖4所示，第一根注漿錨桿距巷道底板850 mm，第二根注漿錨桿距底板2 050 mm，注漿錨桿按3 m排距進行布設?？紤]煤柱體本身強度較低，所以將此次的注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa，防止注漿期間漿液對煤柱的二次損傷，保壓時間為10～15 min。為提升注漿改性效果，注漿孔施工需超前或者滯后工作面10 m。漿液以超細水泥為原料，水灰比為0.8。

圖4 沿空留巷煤柱幫注漿設計(mm)

4 注漿效果評價

巷道兩幫的位移變形呈現(xiàn)出明顯的階段性，如圖5所示，在工作面距該測點30～50 m的位置時，兩幫的位移量較小，僅有65.5 mm。當在工作面推進到距測點10 m左右的位置時，由于采取了注漿加固措施，所以在工作面推過該測點40 m，兩幫位移量僅增加了181 mm。隨著測點距工作面滯后距離的增加，巷道位移量逐漸減小并穩(wěn)定在480 mm，僅為未實施注漿工藝段的60%，這說明注漿工藝實施后有效控制了巷道變形的發(fā)展。由于煤柱承載能力的提高，在整個觀測周期內(nèi)，巷道頂?shù)装宓囊平績H有667 mm。

圖5 沿空留巷注漿段巷道變形規(guī)律曲線

5 結 語

1) 在采用注漿加固工藝后，復原試件的峰后殘余強度較原試件有明顯的提高，在水灰比為0.8的情況下，42.5級硅酸鹽水泥、超細水泥的峰后殘余強度分別為完整試件的2.34倍、3.06倍。

2) 受超前支承壓力的影響，在工作面前方0～15 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育深度達2.2 m，在工作面回采過后，隨著頂板巖層的垮落，裂隙并未呈現(xiàn)出快速擴展的態(tài)勢。

3) 在距工作面回采位置前方10 m以及后方20 m范圍內(nèi)進行注漿，巷道變形量較小，僅為493～497 mm。

4) 在采用煤柱注漿加固工藝后，31004輔助進風巷的兩幫移近量為480 mm，頂?shù)装逡平繛?67 mm，巷道變形量整體可控。