沿空掘巷護(hù)巷煤柱注漿加固技術(shù)研究

李鵬俊

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046000)

為提高煤炭資源回收率，部分煤礦使用沿空掘巷小煤柱布置工作面，但小煤柱在工作面回采過程中受到頂板來壓和巷幫壓力作用，小煤柱變形越來越嚴(yán)重，不利于工作面正常安全生產(chǎn)，因此，巷道及煤柱支護(hù)問題是首要解決的問題[1-3]，目前國內(nèi)外專家學(xué)者主要通過在錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式基礎(chǔ)上加以使用注漿加固的方法加強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性[4-6]。

節(jié)理、裂隙發(fā)育，弱面較多的圍巖，其強(qiáng)度和變形主要由強(qiáng)度較小的弱面控制，因弱面的強(qiáng)度及變形模量較低，所以破碎圍巖巷道變形量大，維護(hù)困難。注漿加固是利用漿液把圍巖的各種弱面充實(shí)、重新膠結(jié)起來，從而提高圍巖整體穩(wěn)定性能，改善圍巖的物理性能，增強(qiáng)圍巖的自身承載能力[7-8]。圍巖注漿加固與錨桿支護(hù)相結(jié)合，不僅能夠改善圍巖力學(xué)性能和應(yīng)力分布，而且能夠提高圍巖承載能力和錨桿錨固力，大大減小巷道圍巖變形，顯著改善巷道維護(hù)狀況，為煤礦的小煤柱巷道加固提供了一條新思路[9-13]。

1 工程地質(zhì)概況

王莊煤礦9106工作面回風(fēng)巷道井下北鄰9105回采工作面(已回采完畢)，南為9107設(shè)計(jì)工作面(未掘完)，西接540膠帶大巷，東為實(shí)體煤，相鄰兩個(gè)工作面的兩條巷道之間留設(shè)10 m煤柱。9106工作面所采3號(hào)煤，在本工作面范圍內(nèi)，煤層厚度穩(wěn)定，煤層下部夾矸最厚的一層為0.35 m，平均煤厚為6.45 m，工作面整體為上山掘進(jìn)，局部有起伏，煤層傾角在1～4°之間，平均為3°.煤層直接頂為灰黑色泥巖平均厚度5.7 m；老頂為深灰色中粒砂巖，平均厚度為1.58 m；直接底為黑色泥巖，平均厚度為3.24 m；基本底為灰色中粒砂巖，平均厚度為2.71 m.煤巖層綜合柱狀如圖1所示?；仫L(fēng)巷沿煤層底板4°坡進(jìn)行掘進(jìn)，斷面呈矩形，斷面尺寸為5.5 m×3.6 m(寬×高)，采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。

圖1 9106工作面煤巖層綜合柱狀圖

9106與9105之間10 m護(hù)巷煤柱在受到一次采動(dòng)和二次采動(dòng)的作用下，煤柱變形嚴(yán)重，影響工作面正常安全生產(chǎn)。提出注漿加固技術(shù)強(qiáng)化煤柱破碎區(qū)整體強(qiáng)度，提高煤柱的承載能力，減少巷道變形，保證工作面正常安全生產(chǎn)。

2 9106工作面回風(fēng)巷應(yīng)力環(huán)境分析

為了保證后續(xù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究結(jié)果準(zhǔn)確性，需要在工程現(xiàn)場采集煤巖樣并測試煤巖體的綜合性能。因此，在王莊煤礦9106綜采工作面采集煤巖樣，按照測試要求加工制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，對試樣分別進(jìn)行力學(xué)性能測試等，試樣物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 試樣物理力學(xué)參數(shù)匯總

2.1 9105工作面回采期間應(yīng)力環(huán)境分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建數(shù)值模型。該模型尺寸長×高=95 m×48 m，共模擬6層煤巖，開挖9105工作面形成采空區(qū)，通過計(jì)算在模型上部邊界施加10 MPa的原巖應(yīng)力，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)為1.2，兩側(cè)施加12 MPa的邊界應(yīng)力，模型四周采用位移邊界進(jìn)行約束，為避免邊界效應(yīng)的影響，將模型四周及底面法向速度約束為0，整個(gè)模型采用中間密兩頭疏寬度網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為0.5 m，分析9105采空區(qū)右側(cè)應(yīng)力分布特征，見圖2、圖3.在煤層中間位置布置一條應(yīng)力監(jiān)測線，監(jiān)測范圍95 m，間距1 m獲取煤層中間位置應(yīng)力值，取采空側(cè)煤壁處向煤體方向30 m范圍作回采期間煤體垂直應(yīng)力分布，見圖4.

圖2 回采期間垂直應(yīng)力分布圖

圖3 回采期間煤體垂直應(yīng)力分布圖

圖4 回采期間煤體塑性區(qū)分布圖

由圖2、圖3可知，9105工作面回采后，采空區(qū)塌陷壓實(shí)，應(yīng)力重新分布，采空區(qū)邊緣出現(xiàn)應(yīng)力降低，實(shí)體煤一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在煤層中間位置布置一條應(yīng)力監(jiān)測線，測得最大垂直應(yīng)力為17.46 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.75，距采空區(qū)邊緣7.5 m左右，護(hù)巷煤柱為10 m，9106回風(fēng)巷布置在集中應(yīng)力影響區(qū)，受側(cè)煤一次回采動(dòng)壓影響為12 MPa左右。

2.2 9106工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間應(yīng)力環(huán)境分析

在9105回采結(jié)束并且穩(wěn)定后，開挖9106工作面回風(fēng)巷，護(hù)巷煤柱寬度為10 m，分析9106工作面回風(fēng)巷周圍應(yīng)力環(huán)境分布及巷道左右兩幫位移量，見圖5、圖6和圖7.

圖5 掘進(jìn)期間垂直應(yīng)力分布

圖6 掘進(jìn)期間煤體垂直應(yīng)力分布

圖7 巷道圍巖變形

由圖5、圖6可知，9106回風(fēng)巷開挖后，應(yīng)力增高區(qū)由煤柱轉(zhuǎn)移至實(shí)體煤側(cè)，最大垂直應(yīng)力為19.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05，距巷道右?guī)? m，隨著距采空區(qū)距離的增大逐漸趨近于原巖應(yīng)力。護(hù)巷煤柱內(nèi)應(yīng)力分布降低，但仍存在應(yīng)力峰值，說明煤柱仍然具有一定的承載能力。

由圖7可知，在9106回風(fēng)巷掘進(jìn)后，巷道變形嚴(yán)重，呈非對稱形式，巷道左幫變形量為335 mm，巷道右?guī)妥冃瘟繛?41 mm，需要對回風(fēng)巷煤柱幫進(jìn)行注漿加固以維持巷道穩(wěn)定。

由圖4和圖8可知，9105工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)周圍形成塑性破壞，塑性擴(kuò)展到采空區(qū)邊緣10 m左右，9106工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)后，回風(fēng)巷周圍產(chǎn)生塑性破壞，塑性擴(kuò)展到右側(cè)巷幫10 m處，由于煤柱中根據(jù)應(yīng)力分布特征存在應(yīng)力集中，所以煤柱中間存在一段塑性承載區(qū)，兩側(cè)為塑性破壞區(qū)。

圖8 掘巷期間煤體塑性區(qū)變形

3 注漿加固方案

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

注漿加固現(xiàn)場試驗(yàn)選取9106回風(fēng)巷區(qū)段煤柱作為研究對象，回風(fēng)巷與采空區(qū)之間為10 m護(hù)巷煤柱，對距離開切眼220～320 m內(nèi)煤柱進(jìn)行打鉆孔注漿加固試驗(yàn)，加固段示意如圖9所示。

圖9 注漿加固試驗(yàn)段布置

3.2 注漿范圍計(jì)算

注漿范圍按照圍巖松動(dòng)圈公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：r為巷道寬度，取5.5 m；P為掘進(jìn)期巷道所受垂直應(yīng)力，取12 MPa；Ps為煤柱的支護(hù)反力，取8.9 MPa；C為煤體黏聚力，取0.49 MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，取27°.

計(jì)算得出松動(dòng)圈的最大半徑為4.45 m，因?yàn)樽o(hù)巷煤柱寬度為10 m，煤柱中間為塑性承載區(qū)，兩幫為塑性破壞區(qū)，為得到較好注漿效果，注漿應(yīng)貫通塑性破壞區(qū)，從而提高煤柱整體承載能力，并且為防止注漿范圍過大，從而貫通采空區(qū)，影響安全生產(chǎn)，注漿深度不宜過大，因此，綜合考慮取實(shí)際注漿孔范圍為3 m.

3.3 注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.3.1 注漿材料

結(jié)合9106工作面煤柱實(shí)際力學(xué)參數(shù)，所選用材料均為自行配比的復(fù)合注漿材料，主要包括：水、325號(hào)普通硅酸鹽水泥、復(fù)合劑(硫鋁酸鹽水泥熟料、緩凝劑和懸浮劑等混合而成)、固化劑(石膏、石灰、速凝劑、懸浮劑混合而成)，其中所選材料比例為：水∶復(fù)合劑，固化劑∶水=1.5∶1，1∶1.5.

3.3.2 注漿參數(shù)確定

1) 注漿壓力。注漿壓力大小的選擇決定了注漿液能否成功注入破碎帶中，注漿壓力選取過小時(shí)，由于煤體內(nèi)部破碎體的阻力，注漿液無法注入破碎帶中；注漿壓力選取過大時(shí)，由于壓力過大會(huì)影響煤體破碎帶的整體發(fā)育，所以根據(jù)研究區(qū)物理力學(xué)參數(shù)及地質(zhì)特性等選取注漿壓力為2 MPa.

2) 注漿孔布置方式。開口段前20 m左幫布置2-1-2孔、頂板(距左幫500 mm內(nèi))布置0-1-0孔，孔徑42 mm，排距800 mm，孔深3 m；20 m往里僅在左幫布置2-1-2孔，孔徑、排距、孔深同上。注漿孔布置方式，如圖10所示。

圖10 注漿孔布置方式(mm)

4 現(xiàn)場施工并監(jiān)測礦壓

4.1 現(xiàn)場施工

在9106工作面回風(fēng)平巷開切眼220～320 m試驗(yàn)段，按設(shè)計(jì)注漿加固方案打注漿孔并進(jìn)行注漿，為防止?jié){液沿煤柱內(nèi)裂隙流出影響注漿加固效果，在注漿之前應(yīng)在頂兩幫進(jìn)行全斷面噴漿達(dá)到密封效果，噴漿厚度為100 mm.

4.2 礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測

在9106工作面回風(fēng)巷兩幫布置表面位移測站包括在兩幫的中部各布置1個(gè)測點(diǎn)。測站安在垂直于巷道壁的D30 mm，深450 mm的孔，測站采用D20 mm×L500 mm圓鋼焊制，用樹脂藥卷錨入孔中，用測槍或測桿量兩幫的相對位移。

由圖11可知，未注漿加固段煤柱幫變形比較嚴(yán)重，右?guī)蛯?shí)體煤幫破碎情況較嚴(yán)重，煤柱幫最大位移大約為700 mm.由于注漿加固使煤柱內(nèi)部破碎區(qū)整體性增強(qiáng)，內(nèi)部承載性能增大，煤柱幫位移量約為100 mm左右，注漿加固方案能顯著增強(qiáng)煤柱幫承載能力，降低巷道圍巖變形量。

圖11 巷道兩幫位移監(jiān)測

5 結(jié) 語

1) 針對9106工作面沿空掘巷小煤柱變形破壞特征，分析了注漿加固提高護(hù)巷煤柱承載能力的作用機(jī)理，提出了注漿加固控制沿空掘巷大變形技術(shù)。

2) 基于理論與數(shù)值模擬分析了一次采動(dòng)及掘巷期間煤柱內(nèi)應(yīng)力環(huán)境及位移特征演化規(guī)律，確定了護(hù)巷煤柱注漿加固范圍為3 m，注漿材料比例為：水∶復(fù)合劑，固化劑∶水=1.5∶1，1∶1.5，注漿壓力為2 MPa.

3) 確定了注漿孔布置方式：開口段前20 m左幫布置2-1-2孔、頂板(距左幫500 mm內(nèi))布置0-1-0孔，孔徑42 mm，排距800 mm，孔深3 m；20 m往里僅在左幫布置2-1-2孔，孔徑、排距、孔深同上?，F(xiàn)場礦壓監(jiān)測表明，注漿加固段頂板下沉、煤柱幫變形量都有大幅降低，提高了巷道圍巖穩(wěn)定性，有效控制了沿空掘巷圍巖大變形。