沿空掘巷煤柱加固技術研究

常永強

【摘 ?要】沿空掘巷是指完全沿采空區(qū)邊緣或僅留很窄煤柱的一種巷道掘進方式，是煤礦生產中減少煤柱壓煤的有效技術措施，在一些地質條件較簡單的礦井應用較多。沿空掘巷有利于方便巷道維護和提高煤炭回收率，但使用中必須嚴格控制留設煤柱的寬度尺寸，這也是確保巷道安全穩(wěn)定，減少支護壓力的關鍵。

【關鍵詞】沿空掘巷;加固技術;煤柱

引言

自進入二十一世紀以來，國家經濟水平有了巨大的提升，能源經濟在其中占有重要的地位，國家的快速發(fā)展對能源的需求也越來越大，尤其是對煤炭資源的需求。隨著前部煤炭資源的逐漸減少，礦井開采逐步向深部轉移，煤層埋深的增大伴隨著礦井開采難度逐漸增大。近十幾年為提高煤炭資源采出率、減少煤炭資源的損失情況，許多礦井開始采用沿空掘巷留設小煤柱方法。許多研究人員對沿空掘巷開采方法進行了大量的研究，在煤柱應力分布、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等方面獲得了許多優(yōu)秀成果。但一些礦井再采用沿空掘巷留小煤柱方法時，由于煤柱承受載荷較大，工作面回采過程中造成煤柱幫變形大，穩(wěn)定性差等問題，嚴重影響工作面的正常回采。

1工程背景

山西某礦2106工作面主采煤層為3#煤，煤層厚度平均為5.78m，傾角為3～8°，平均為5°，屬于近水平煤層，工作面煤層埋深平均為500m，煤層結構較為簡單，無斷層、陷落柱等大構造，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采的煤層。2106工作面的東部為已經結束回采的2105工作面采空區(qū)，西部為2107工作面，工作面巷道尚未開始掘進，目前2106工作面回風巷已經掘進完畢，工作面即將進行回采，工作面布置圖如圖1所示。工作面之間留設煤柱寬度為10m，2106工作面采用矩形斷面，巷道寬度為5.2m，高度為4m，巷道沿煤層頂板掘進，支護方式為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。工作面直接頂為泥巖，厚度約為8m，巖層強度較低，基本頂巖性包括細砂巖和石灰?guī)r，厚度分別為3.5m和5m，巖層堅硬致密，強度較大。工作面采用綜合機械化放頂煤技術開采，采用全部垮落法處理頂板。根據(jù)對巷道掘進過程中煤柱幫變形的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，圍巖變形量較大，煤柱穩(wěn)定性差，因此提出采用注漿加固方法對煤柱強度進行提升。

2沿空掘巷圍巖變形及受力情況分析

2.1沿空掘巷圍巖受力和變形分析

沿空掘巷是將巷道布置在位于靠煤柱一側的低應力場，以便于巷道維護，減少變形量，留設的煤柱可將巷道與采空區(qū)隔離，防止采空區(qū)的有害氣體和水等串入巷道，是目前綜放工作面廣泛應用的巷道掘進方式。上區(qū)段開采完成后，采用直接冒落法使頂部矸石冒落回填至回采巷道，隨后在下區(qū)段采用沿空掘巷的方式進行回采作業(yè)。此過程中，回采區(qū)域圍巖的受力狀態(tài)會發(fā)生比較大的變化，并產生一定程度的位移，回采巷道頂部巖塊會隨矸石冒落而發(fā)生沉降變形，但由于矸石回填高度有限，內部空間松散，回填區(qū)域內支撐力不足，容易導致頂部巖體發(fā)生斷裂和下沉。在此影響下，相鄰下區(qū)段回采巷道支護窄煤柱承受的壓力也會增大，繼而對沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性造成影響。

2.2沿空掘巷窄煤柱的受力分析

位于回填區(qū)和窄煤柱上部的巖塊發(fā)生沉降和受力改變后，會對窄煤柱及附近圍巖產生較大的豎向和側向的壓應力，且應力會隨著巖層的不斷彎曲下沉而向下區(qū)段內部轉移。生產實踐和理論研究顯示，沿空掘巷所承受的應力變化是呈特定規(guī)律分布的，與采空區(qū)越接近，則窄煤柱邊緣區(qū)域承受壓力越大，并在接近采空區(qū)處出現(xiàn)應力峰值，以后則會不斷降低，在窄煤柱處回落至較低數(shù)值。根據(jù)受力和變形情況的不同，由綜放工作面向矸石冒落區(qū)依次可分為原巖應力區(qū)、彈性變形區(qū)、塑性變形區(qū)、松散免壓區(qū)4個區(qū)域。原巖應力區(qū)與矸石冒落區(qū)較遠，基本不受應力變化的影響，該區(qū)域受力主要以原巖應力為主;彈性變形區(qū)位于原巖應力區(qū)與應力峰值之間，距冒落區(qū)較遠，受影響較小，巖體連續(xù)性未遭到破壞，可承受較高的應力;塑性變形區(qū)位于應力峰值與松散免壓區(qū)之間，該區(qū)域巖體連續(xù)性已遭到破壞，發(fā)生塑性變形，但尚有一定的承載能力;松散免壓區(qū)位于下區(qū)段煤巖體邊緣，該區(qū)域煤巖體連續(xù)性在開采擾動下受到比較大的破壞，變形較大，結構較為松散，因而承載力較差，所受壓力較小。由上述分析可知，沿空掘巷適合布置在松散免壓區(qū)，該區(qū)圍巖松散破碎但應力小，可減輕巷道圍巖所承受的煤體變形壓力和側向支撐壓力。

3注漿加固方案設計

3.1試驗地點

本次對煤柱進行加固的地點為2106工作面回風巷，因生產原因，煤壁注漿加固從巷道220m位置開始，注漿位置如圖2所示。

3.2注漿加固方案研究

3.2.1注漿材料選擇

根據(jù)2106工作面現(xiàn)場煤體及圍巖的物理力學性質，3#煤層的抗壓強度約為6MPa，頂板細砂巖巖層抗壓強度約為51MPa，石灰?guī)r巖層抗壓強度約為102MPa，煤層強度較小，頂板巖層強度較大，因此注漿材料主要為硅酸鹽水泥，并添加復合劑以及固化劑，其中復合劑材料規(guī)格為TWK-1，固化劑規(guī)格為TWK-2，水與注漿材料的比例為1.5：0.5，即桶內水重量為1.5t，材料重量為0.5t。

3.2.2注漿方案各參數(shù)確定

①注漿孔深度計算

對煤柱進行注漿時，需根據(jù)巷道開挖后圍巖的塑性破壞區(qū)域進行確定，根據(jù)松動圈理論，巷道開挖后松動圈的半徑計算公式為： 式中：r為回風巷的半徑，m;P為巷道圍巖承受的應力水平，MPa;φ為煤體的內部摩擦角，°;C為煤體內的粘聚力，MPa;Ps為巷道的支護強度，MPa。2106回風巷寬度為5.2m，取其一半為2.6m，巷道圍巖的應力水平主要與埋深有關，由于煤層埋深平均為500m，取應力水平為9MPa，3#煤內部摩擦角取27°，粘聚力取為1MPa，由于煤柱注漿時未對其進行支護，因此支護力大小為0。將各參數(shù)代入上式中，計算得松動圈半徑為4.8m。對煤柱進行注漿時，注漿深度一般需大于松動圈半徑，但2106工作面煤柱在上區(qū)段工作面一側受采動影響破壞比較嚴重，若注漿孔深度過大易出現(xiàn)與采空區(qū)連通情況，導致采空區(qū)內的瓦斯等有害氣體進入巷道中，危害工作人員安全，基于此因素，最終確定注漿孔深度為3m。

②注漿壓力確定

注漿壓力大小對注漿效果有著較大的影響，由于注漿液具有一定的黏稠性，在對煤柱進行注漿時，若注漿壓力較小，漿液在煤柱內的流動動力過小，導致漿液無法在煤體內擴散，注漿效果差。若注漿壓力過大，漿液的沖擊力會導致煤體內的裂隙擴大，導致煤柱進一步發(fā)生破壞。根據(jù)現(xiàn)場對煤柱內裂隙發(fā)育情況的觀測，煤柱內裂隙發(fā)育較多，多以垂直裂隙為主，因此確定此次注漿壓力大小為12.5MPa。

③注漿孔擴散半徑確定

注漿液擴散半徑主要為漿液在煤柱內的擴散范圍，其主要由煤柱內的節(jié)理裂隙發(fā)育情況決定，根據(jù)煤柱的破損情況，并根據(jù)過去注漿經驗，確定注漿孔的擴散半徑為1.5m。

④注漿孔間排距確定

合理的注漿孔間排距能夠保證漿液擴散到整個煤柱內，其次可以避免漿液的浪費，保證注漿效果。由于漿液在煤體內的擴散半徑為1.5m，因此確定注漿孔的布置設計為五花狀，即注漿孔為一、二布置，第一排布置一個注漿孔，第二排布置兩個注漿孔，注漿孔間距為2m，排距為1m，與頂板相鄰注漿孔與煤壁角度為15°，其余均與煤壁垂直，注漿孔與頂?shù)装宓木嚯x為1m。注漿孔布置如圖3所示。

結語

在生產實踐中，利用公式計算初步確定窄煤柱尺寸，通過對沿空掘巷深部位移觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3m以上范圍內頂板基本不發(fā)生位移，圍巖的整體性保持較好;加固方案實施后，圍巖早期離層量、頂板下沉量、片幫和底鼓變形等情況均得到改善。

參考文獻：

[1]張慧龍，王鎮(zhèn).沿空掘巷護巷煤柱尺寸的確定與巷道支護設計[J].煤炭與化工，2016，39（10）.

[2]劉興濱.覆巖隔離注漿充填技術在經坊煤業(yè)的應用[J].山西能源學院學報，2017.

（作者單位：冀中能源邯礦集團聚隆礦業(yè)有限公司生產準備隊）