綜放面沿空護(hù)巷小煤柱注漿加固試驗(yàn)研究

喬 越

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045008）

1 工程背景

陽煤集團(tuán)五礦8407綜放工作面位于井田四采區(qū)，8407工作面主要開采15#煤層，煤層平均厚度為7m，平均傾角6°，工作面走向長1177m，傾斜長189m，采用綜采放頂煤開采技術(shù)，煤層頂板主要以泥巖、砂巖和細(xì)砂巖為主，底板主要為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，8407工作面東側(cè)為已經(jīng)回采完成的8409工作面采空區(qū)，8407回風(fēng)巷待8409工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后留設(shè)10m小煤柱沿空掘進(jìn)，采用沿煤層頂板掘進(jìn)方式。8407回風(fēng)巷采用矩形斷面，斷面凈寬為5m、凈高為4m，頂板采用長短錨索進(jìn)行支護(hù)，每排布置5根直徑為21.8mm、長度為5200mm的錨索，中部三根垂直于頂板布置，靠近幫側(cè)兩根與水平方向呈70°斜向上布置，錨索間距為1150mm、排距為850mm；為加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，隔排布置1根直徑為21.8mm、長度為8300mm錨索和1根直徑為28.6mm、長度為10300mm的錨索，補(bǔ)強(qiáng)錨索的間距為1400mm、排距為1600mm；實(shí)體煤幫和小煤柱幫各布置5根直徑為20mm、長度為2400mm的錨桿，其間距和排距均為850mm，為加強(qiáng)小煤柱幫強(qiáng)度，另布置2根直徑為15.2mm、長度為4200mm的錨索，其間距為900mm、排距為1600mm，8407回風(fēng)巷支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 8407回風(fēng)巷支護(hù)斷面

2 沿空護(hù)巷小煤柱上覆圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

沿空護(hù)巷小煤柱留設(shè)在上區(qū)段工作面和下區(qū)段工作面采空區(qū)之間，兼具維護(hù)沿空巷道穩(wěn)定性和隔絕采空區(qū)的作用。而護(hù)巷小煤柱處于采空區(qū)邊緣，其圍巖穩(wěn)定性受采空側(cè)覆巖結(jié)構(gòu)影響很大，采空側(cè)頂板破斷后發(fā)生旋轉(zhuǎn)、下沉，相鄰巖塊間鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu)，尤其是巖塊B，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)對(duì)沿空巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大，如圖2所示。當(dāng)本區(qū)段工作面回采時(shí)，在工作面回采動(dòng)壓影響下，巖塊B發(fā)生劇烈變形，回轉(zhuǎn)下沉嚴(yán)重，其靜載荷和動(dòng)載荷一起作用于實(shí)體煤、沿空巷道和護(hù)巷小煤柱三者組合而成的承載體上，若煤柱強(qiáng)度不夠，則可能導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞，巷道周圍塑性區(qū)發(fā)育，頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏枯^大。因此提高護(hù)巷小煤柱強(qiáng)度對(duì)實(shí)現(xiàn)沿空巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要作用。8407回風(fēng)巷沿空掘進(jìn)期間圍巖變形量較小，而回采期間在動(dòng)壓影響下，圍巖變形量較大，尤其巷道兩幫移近量較大，最大處可達(dá)到2m以上，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用，因此需對(duì)小煤柱進(jìn)行注漿加固，以提高沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 沿空護(hù)巷小煤柱上覆圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3 沿空護(hù)巷小煤柱數(shù)值模擬研究

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算模型

以8407工作面工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，8407工作面回風(fēng)巷一側(cè)為工作面實(shí)體煤，另一側(cè)為護(hù)巷小煤柱及8409采空區(qū)，X方向?yàn)楣ぷ髅鎯A斜方向，Y方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，Z方向?yàn)楦矌r豎直方向，故整個(gè)模型尺寸：X向取90m、Y向取140m、Z向取37.5m。8407回風(fēng)巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，巷道寬5m、高4m，護(hù)巷窄煤柱取10m，將模型左右邊界、前后邊界及底部邊界固定，在模型頂部施加8.4MPa的垂直應(yīng)力來代表覆巖容重，側(cè)壓系數(shù)按1.2選取，選用莫爾庫倫準(zhǔn)則，研究區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，較遠(yuǎn)區(qū)域網(wǎng)格尺寸可稍大些，整個(gè)模型共有443520個(gè)單元，469203個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的數(shù)值模型如圖3所示，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)按表1選取。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算過程：模型建立→初始地應(yīng)力平衡→8409工作面開挖并充填→8407回風(fēng)巷開挖支護(hù)→8407工作面開挖，對(duì)比巷道原支護(hù)下與注漿加固情況下，巷道圍巖的塑性區(qū)分布，以驗(yàn)證注漿加固對(duì)巷道及小煤柱圍巖強(qiáng)度及穩(wěn)定性的改善。

圖4 未注漿加固情況下

1）未注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區(qū)分布。圖4為未注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區(qū)分布，由圖可知，距離回采工作面較遠(yuǎn)80m時(shí)，工作面回采動(dòng)壓對(duì)巷道及小煤柱穩(wěn)定性影響相對(duì)較小，小煤柱兩側(cè)開始出現(xiàn)塑性區(qū)，巷幫側(cè)約2m范圍，采空區(qū)側(cè)約3m范圍，巷幫側(cè)受原支護(hù)影響塑性區(qū)發(fā)育范圍小于采空區(qū)側(cè)；當(dāng)距離工作面50m時(shí)，在動(dòng)壓影響下塑性區(qū)由煤柱兩側(cè)向核區(qū)方向發(fā)育，此時(shí)煤柱內(nèi)部核區(qū)寬度為4～5m；當(dāng)距離工作面20m時(shí)，煤柱內(nèi)部核區(qū)寬度已較小，僅為2m左右，承載能力大大降低，面臨失穩(wěn)危險(xiǎn)；當(dāng)距離工作面5m時(shí)，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)貫通，煤柱內(nèi)部核區(qū)消失，基本失去承載能力，巷道頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)發(fā)育，變形嚴(yán)重，已無法滿足生產(chǎn)的需求。

（2）注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區(qū)分布

圖5 注漿加固情況下

圖5 為注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區(qū)分布情況，由圖可知，對(duì)小煤柱注漿加固后煤柱圍巖性質(zhì)得到明顯改善，強(qiáng)度得到提高，較未加固情況下煤柱兩側(cè)塑性區(qū)發(fā)育較小，在工作面超前支承壓力影響范圍外，巷道側(cè)為2m范圍，采空側(cè)為3m范圍；當(dāng)小煤柱加固區(qū)域進(jìn)入工作面回采動(dòng)壓影響范圍內(nèi)，塑性區(qū)范圍有所增大，但并不明顯，直到推進(jìn)到距離工作面5m時(shí)，煤柱內(nèi)部核區(qū)寬度仍然可達(dá)到6m左右，承載能力大大增強(qiáng)。煤柱強(qiáng)度提高后，采空側(cè)高應(yīng)力通過煤柱向巷道側(cè)轉(zhuǎn)移，巷道底板塑性區(qū)發(fā)育，引起底煤變形，底鼓現(xiàn)象較未加固時(shí)嚴(yán)重。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

針對(duì)沿空巷道圍巖變形嚴(yán)重問題，對(duì)10m小煤柱采取注漿加固措施，通過漿液在圍巖裂隙中的的擴(kuò)散作用，將破碎的圍巖膠結(jié)為一個(gè)整體，注漿加固可提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度和剛度，對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行充實(shí)壓密，在圍巖內(nèi)部形成支撐骨架，同時(shí)起到放漏風(fēng)和堵水的作用。在8407回風(fēng)巷距離切眼220m處進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，注漿加固長度為100m。

4.1 注漿參數(shù)的確定

注漿材料主要由水、硅酸鹽水泥、TWK—1復(fù)合劑以及TWK—2固化劑組成，其比例為水：（水泥+TWK—1 復(fù) 合 劑 ）：TWK—2 固 化 劑 =0.5：（0.85+0.15）：1.5，按該材料配合比所加固的試件其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到20MPa，同時(shí)具有一定的韌性。

1）注漿深度，注漿加固深度可根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論來確定，由下式計(jì)算：

式中：r為巷道半徑；P為巷道巷道所受動(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為煤柱所提供支護(hù)反力，將巷道相關(guān)參數(shù)帶入計(jì)算可得松動(dòng)圈最大半徑為4.8m，由于護(hù)巷小煤柱寬度較小，若注漿深度過大可能會(huì)導(dǎo)致巷道與采空區(qū)側(cè)貫通，對(duì)安全生產(chǎn)造成影響，結(jié)合實(shí)際情況，注漿鉆孔深度確定為3m。

2）注漿壓力，根據(jù)既能使?jié){液滲入圍巖裂隙，又不因壓力過大而導(dǎo)致煤體被漿液劈裂的原則，結(jié)合15#煤體強(qiáng)度及圍巖裂隙發(fā)育情況，綜合確定注漿壓力為 1～2MPa。

3）注漿孔布置，煤柱幫的注漿鉆孔采空“五花”布置，上部兩個(gè)注漿孔距離巷道頂板1000mm，與水平方向呈15°斜向上布置，距離上部注漿孔1000mm的兩孔中間垂直于煤柱幫布置一個(gè)中部注漿孔，距離巷道底板1000mm垂直于煤柱幫布置兩個(gè)注漿孔，上部和下部兩個(gè)注漿孔孔間距為2000mm，注漿孔布置如圖6所示。

圖6 注漿布置圖

4.2 礦壓觀測

小煤柱注漿加固施工完成后，在煤柱表變噴涂彈性密閉堵漏劑，將煤柱表面的裂隙堵住，從而防止采空區(qū)瓦斯逸入回采巷道。同時(shí)對(duì)注漿加固段與未注漿加固段巷道圍巖變形進(jìn)行觀測對(duì)比，8407回風(fēng)巷兩幫位移變化曲線如圖7所示。

圖7 8407回風(fēng)巷兩幫位移變化圖

由圖7可知，巷道左幫為實(shí)體煤幫，在動(dòng)壓影響下出現(xiàn)較大變形，最大位移量達(dá)到1000mm，巷道右?guī)蜑槊褐鶐?，未注漿加固情況下，最大位移量可達(dá)到800mm，而注漿加固后圍巖變形明顯減小，僅為50mm左右，幾乎可忽略不計(jì)，該現(xiàn)象表明對(duì)沿空小煤柱采取注漿加固措施后可提高煤柱的強(qiáng)度，減小煤柱幫的位移，保持沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

1）護(hù)巷小煤柱處于采空區(qū)邊緣，采空側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱施加較大載荷，在本工作面回采動(dòng)壓影響下，導(dǎo)致煤柱破碎，沿空巷道圍巖變形嚴(yán)重。

2）通過數(shù)值模擬對(duì)未注漿加固和注漿加固條件下，小煤柱圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行比較可知，注漿加固可增加煤柱內(nèi)部核區(qū)，使其強(qiáng)度提高。

3）在確定10m小煤柱注漿加固相關(guān)參數(shù)后，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明，注漿加固后煤柱強(qiáng)度得到提高，巷道兩幫移近量得到有效控制，實(shí)現(xiàn)了沿空巷道圍巖穩(wěn)定。