注漿加固技術在沿空掘巷中的應用探討

孟三軍

（山西潞安環能上莊煤業有限公司，山西 長治 046000）

目前國內深井開采工作面掘進方式主要采用沿空掘巷。 根據采空區應力分布曲線圖可知，在臨近采空區掘進時，將掘進巷道布置在距離采空區一定位置，可以大大減少巷道所承受的壓力，能夠減輕掘進巷道支護難度。 但是隨著工作面的回采，新采空區的形成會打破原有的應力平衡，導致巷道變形嚴重，影響通風和物料運輸[1-4]。因此，對沿空掘巷煤柱進行注漿加固，提高煤柱強度，是保證回采期間巷道支護穩定的有效手段。

1 工作面概況

常村煤礦1107 工作面，煤厚平均6.5 m，傾角5°，煤層結構簡單，煤層偽頂局部發育為炭質泥巖和泥巖，直接頂為砂質泥巖，基本頂為中- 細粒砂巖，底板為砂質泥巖和泥巖。 1107 工作面走向長度為1 150 m，傾向長度為175 m；東臨1109 工作面采空區。1107 工作面上巷為回風巷，緊鄰1109 工作面，留設8 m煤柱進行沿空掘巷，沿頂掘進，見圖1。

圖1 1107 工作面位置關系

1107 上巷為矩形支護， 凈斷面為寬5 m×高4 m，采用錨網支護；頂板共布置一排5 根錨索，工作面內側和沿空側分別布置5 根錨索，排間距0.85 m；每隔1.6 m布置兩根長度分別8.3 m和10.3 m的補強錨索用以加強支護。 1107 工作面上巷支護，見圖2。

圖2 1107 上巷斷面

2 沿空掘巷煤柱頂板巖層受力分析

沿空掘巷護巷煤柱位于1107 工作面上巷和1109 工作面采空區中間，能夠起到隔離采空區的作用，防止漏風和瓦斯逸出，同時一定寬度的煤柱可以利用采空區側向應力分布規律，有效減少所受應力。 但是護巷煤柱緊鄰采空區，受到采空區覆巖影響較大， 采空區頂板巖石斷裂后發生下沉和移動，形成砌體梁結構，特別是巖體B，其狀態直接影響煤柱的穩定性。 在本工作面開始回采時，因受采動影響，巖體B會發生很大的形變和回轉，此時實體煤、護巷煤柱和巷道將共同承受應力變化，如果護巷煤柱不能提供較強的剛性而發生塑性變形，則塑性失穩狀態會傳遞給巷道，使巷道頂板及兩幫發生多處變形和位移。 所以，提高沿空掘巷煤柱強度對保護沿空巷道具有重要意義。1107 工作面上巷在掘進期間變形較小，但回采過程中巷道兩幫出現了明顯的位移，最大位移量1.8 m，嚴重破壞巷道圍巖穩定性，出現冒頂片幫等安全問題。 因此需要對護巷煤柱進行加固，提高回采過程中的抗壓能力。

圖3 沿空掘巷煤柱上覆巖層力學分析

3 注漿加固技術方案

為了解決回采過程中沿空巷道圍巖變形問題，對8 m護巷煤柱進行了注漿加固。 利用漿液對護巷煤柱塑性區域進行滲透， 同時填充煤體及圍巖裂隙，增加護巷煤柱整體的穩定性和抗壓性能。 通過注漿加固還可以提高煤柱的密閉性， 防止漏風、滲水等情況發生。 本次注漿加固選擇在1107 上巷距切眼180 m處進行試驗，工作面護巷煤柱加固長度80 m。

注漿加固參數選擇：

1）注漿材料：主要組分為水、水泥、TWK-1 復合劑和TWK-2 固化劑等組成，其混合比例為水:水泥：TWK-1 復合劑:TWK-2 固化劑=0.5:0.85:0.15:1.5，經測試，按照上述配比的注漿材料凝固后抗壓強度近20 MPa，并具有相對的韌性。

2）注漿范圍：注漿范圍可按照圍巖松動圈公式進行計算：

式中：R為松動圈半徑；r為巷道寬度；P為巷道所受回采動壓；φ為煤柱內煤體內摩擦角；C為煤柱內煤體內聚力；Ps為煤柱的支護反力，經計算，松動圈的最大半徑為4.5 m，因為護巷煤柱較窄，若注漿范圍過大有可能導通采空區，致使注漿材料大量浪費甚至影響安全生產，綜合考慮，確定孔深為3 m。

3）注漿壓力：注漿壓力的選擇既要保證漿液可以有效的滲入煤體孔隙和裂隙，又要防止壓力過大產生煤體壓裂，形成新的裂縫，破壞煤體剛性和穩定性。 考慮到二1 煤層煤體強度和沿空煤柱及圍巖裂隙發育情況，根據以往經驗，確定注漿壓力為1～2 MPa。

4）注漿孔設計與施工：注漿鉆孔采用“X”形布置，上部孔距頂1 m，下部孔距底1 m，中部孔位于巷道正中，距上部孔和下部孔間隔均為1 m。 上部孔以仰角15°施工， 中部孔和下部孔以平孔施工。注漿孔由切眼向外依次施工并注漿。 注漿孔設計，見圖4。

圖4 注漿孔設計

5）注漿設備：本次采用的注漿設備包括1 臺型號為2ZBQ50／19 的雙液注漿泵和2 個型號為QB260 的攪拌桶，2 個成漿桶，以及混合器和注漿管路等。

6）注漿工藝：本次利用管體焊有鐵絲（內外兩側均有）的封孔管和射漿管注漿，封孔長度1 m，在封孔管兩端鐵絲上纏繞封堵棉紗并預留封孔通道進行封孔，封孔凝固后進行注漿。 注漿應注至鉆孔停止吃漿為止。

4 注漿加固情況回采驗證

護巷煤柱注漿加固完成后，在回采過程中定期對沿空巷道兩幫變形量進行觀測，量取兩幫距離巷道正中線的距離， 并繪制該巷道兩幫變形曲線，見圖5。

圖5 1107 上巷兩幫變形曲線

由曲線圖5 可知，巷道實體煤一側受采動影響較大，最大變形量約1 m；未采取措施情況下工作面煤柱側巷幫最大變形量約0.8 m，與之相對應的在注漿加固之后，煤柱幫的變形量大大減少，最大變形量不足0.1 m。 通過對護巷煤柱的注漿加固，加強了煤柱的剛性和穩定性，在受到采動動壓影響的情況下基本保持了支護不發生變形，保證了工作面安全高效生產。

5 結語

1）沿空掘巷巷道護巷煤柱在巷道掘進期間受應力作用較小，可保持穩定。 但回采期間由于應力急劇變化導致巷道圍巖及護巷煤柱發生塑性失穩而產生大范圍塑性區，煤體結構受到破壞，巷道變形嚴重，需對護巷煤柱進行注漿加固，以提高煤柱剛性，增加煤柱承載能力。

2）通過對80 m沿空巷道煤柱進行注漿加固試驗，根據巷道變形監測結果：回采過程中未注漿加固前巷道實體煤側煤壁位移約0.8 m，注漿加固后煤壁位移不足0.1 m。 表明煤柱注漿加固可以保證巷道相對穩定，變形量減少，避免不必要的修巷工作。

3）實踐證明該工程試驗成果具有較高的經濟效益、安全效益及可推廣應用價值。 可以在相似地質條件的工作面和礦井進行推廣，促進礦井安全高效生產。