強礦壓工作面回撤通道失穩機理與注漿加固技術

李國良，李瑞群

(神東煤炭集團有限責任公司 生產管理部，陜西 神木 719300)

神東煤炭集團公司每年有50多個綜采工作面需要搬家回撤，主要采用輔巷多通道回撤技術進行作業[1-3]。采用該技術進行搬家回撤時，工作面與回撤通道貫通前需要通過改變工作面推進速度來適應強礦壓作用，通常采用停采的方式調整圍巖壓力顯現，保證工作面與回撤通道貫通后不再因承受強礦壓作用而導致回撤通道失穩。而在停采等壓時，如果停采位置選擇不當或剩余煤柱強度不夠，則會發生大面積片幫冒頂和壓架事故。不但大大降低工作面回撤效率，而且嚴重影響工作人員及設備安全，故弄清不同礦壓環境下回撤通道變形失穩規律及其煤柱加固技術，是生產現場急需解決的技術難題。

國內眾多專家學者就工作面末采階段的礦壓顯現規律及控制技術進行了深入研究。谷拴成、呂華文對末采期間剩余煤柱進行力學分析，得出了回撤通道兩側煤體的應力變化特點[5]。于憲陽、張農等對采動影響破壞煤幫及注漿重構技術進行了深入分析，得出了注漿加固對破碎巖塊承載能力恢復的主要原理[6]。楊娟[7]以察哈素煤礦3101首采面末采階段開采實踐為工程背景研究了工作面推進速度對來壓特征的影響，總結出了停采讓壓、降低采高、增加支架阻力、掛柔性網以及對回撤巷道補強支護等手段，以減輕采動應力對工作面和回撤通道的影響。呂坤等[8]提出在特厚煤層綜放工作面回撤通道的支護中，要堅持主控“頂板和煤柱幫”的原則，并著重強調在工作面即將貫通時，采場強大的支承壓力會使煤體變形破壞嚴重，需要提前注入適當馬麗散加強支護。郭浩森等[9]以不連溝煤礦F62001工作面末采期為研究對象，通過理論分析與工程類比結合的方法，提出小斷面調節巷和高程測量法相結合的手段控制工作面頂底板標高以及回撤巷道選用錨網索和H型鋼梁組合支護形式控制回撤通道變形的方法。李學才[10]針對趙莊礦大采高工作面出現的片幫、漏頂問題，制定了回撤通道深孔注漿方案并達到預期效果。王惠風等[11]為解決保德煤礦81505綜放工作面回撤時間長、安全性差的難題，實施了提高工作面支架阻力、注入高分子材料、優化補強支護方式等頂板控制技術的工藝，實現了81505綜放工作面安全高效貫通回撤。近年來注漿加固技術在巷道支護中取得較好的應用效果，對于回撤通道圍巖加固也有相關應用[12-14]，但對于回撤通道加固中的注漿時機確定、加固原理仍不明確。特別是在神東煤炭公司生產實踐中，多次出現因為預留回撤通道煤柱失穩導致巷道大變形失穩問題，給工作面安全回撤帶來了一定的安全隱患。因此，亟待尋求科學有效的回撤通道圍巖注漿加固技術。

1 工程概況

布爾臺煤礦22206綜采工作面長320m，推進長4543m，末采段煤層埋深330～350m，煤厚3.3～4.1m，傾角1°～3°。末采段整體含1層夾矸，夾矸為0.1～0.5m厚砂質泥巖。主回撤通道整體巷道高度2.8～3.5m，留頂煤厚度最大0.8m，最大割底量0.35m，留底煤最大厚度0.8m。實現工作面安全高效回撤對提高礦井生產效率具有重要意義。

2 末采時剩余煤柱穩定性分析

通過對大柳塔煤礦中工程應用的成功實踐進行反復總結，得出了一種綜采工作面“調壓”的礦壓控制方法，即在工作面貫通前通過調整回采速度，使末采貫通時綜采工作面能在關鍵位置避開周期來壓，達到控制基本頂斷裂位置及來壓強度的目的[2]。其中停采等壓方法最為常用[7]，此方法的原理是在貫通前停采，讓工作面上部巖層得到充分活動，使基本頂斷裂，并發生回轉失穩和滑落失穩，提前釋放壓力，從而使工作面回撤時不受周期來壓的影響[4]。停采等壓時停采位置的選擇非常關鍵，因為基本頂失穩時增加了工作面與回撤通道間剩余煤柱的支承壓力，如果剩余煤柱承載力不足發生破壞，則極易導致上方頂板整體下沉，最終造成壓架事故。因此，研究工作面貫通前剩余煤柱力學模型[5]，通過對煤柱穩定性分析，確定停采等壓時合理的剩余煤柱寬度對生產更有指導意義。

當剩余煤柱寬度為w時，基本頂斷裂對應的力學分析模型如圖1所示。在基本頂斷裂位置并沿工作面推進方向向前的一定范圍內，基本頂受上覆巖層自重及采空區轉移荷載作用形成了支承壓力增高區，該區域中基本頂受到超前支承壓力q1(x)作用。在基本頂斷裂位置向后的一定范圍內，基本頂只承受垮落帶巖層自重q2作用，對于淺埋煤層q2近似為上覆巖層重量。

圖1 剩余煤柱力學分析模型

剩余煤柱破碎區寬度：

式中，R1為剩余煤柱破碎區寬度，m；φ為煤體內摩擦角，(°)；λ為側壓系數；h為回采高度，m；γ為上覆巖層平均重度，kN/m3；c為煤體黏聚力，kPa；H為上覆巖層厚度，m。

作用于剩余煤柱上的平均應力：

式中，σa為剩余煤柱的平均應力，MPa；Pc為剩余煤柱總載荷，N；w0為剩余煤柱壓力承載寬度，m；w為剩余煤柱寬度，m；t為傾向長度，m。

煤柱強度為[5]：

式中，σp為煤柱強度，MPa；σ1為立方體煤樣單軸抗壓強度，MPa。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，當其他參數不變，c、φ值越大時，R1越小，即剩余煤柱的承載能力越大，取σa=σp，求得剩余煤柱臨界寬度w。提高煤體的粘聚力和內摩擦角，可以增強剩余煤柱的承載能力，從而確保與回撤巷道貫通時的安全，避免煤柱發生脆性破壞而引發漏頂壓架等事故。

3 注漿加固機理分析

現場取樣對注漿固結體及未注漿加固的原始煤巖體開展單軸抗壓強度實驗，通過實驗得到煤巖試塊在加載條件下的應力應變曲線，如圖2所示。由圖2可知，注漿固結體的c、φ值明顯增加，對應的強度也增加。

圖2 注漿加固條件下煤巖試塊應力應變曲線

注漿加固后試塊破壞的主要原因是剪切滑移，界面滑動后強度方程為：

τ=Cp+σtanφr

(4)

式中，Cp為內聚力，MPa；φr為剩余內摩擦角，(°)。

由上述分析可知，注漿加固提高破碎煤巖體承載能力的原因[15]：漿液注入到破碎煤巖體裂隙面中，反應固化后可以充填膠結裂隙，原有裂隙面間的摩擦力作用轉變為摩擦和粘結雙重作用，阻止破碎煤巖塊的滑移和錯動，提高了內聚力和內摩擦角，從而增強抗剪切能力；破裂后的巖塊形成互相鉸接的多個不連續塊體，塊體之間為點接觸或線接觸，受壓后應力集中現象極其明顯，當應力集中位置所受應力超過極限應力時就會產生新的裂隙，當漿液充填到破裂巖塊裂隙且反應固化后能使各破裂塊體受力狀態明顯得到改善，阻止裂隙的進一步擴展及連通；煤巖體在受壓過程中，強度低的部分首先破壞形成小裂隙，并逐步擴展成破裂面，持續加載時煤巖體會形成大量的裂隙，且各裂隙間連通率高，注漿加固后漿液優先進入破裂煤巖體形成的大量裂隙中，形成空間網狀結構，漿液固化后使得破裂的煤巖體重新成為一個承載整體。

為驗證注漿加固恢復破碎煤巖體承載能力機理，在破碎煤巖體注漿后，通過分析鉆孔取芯對注漿體進行觀察。結果表明，漿液在注入煤巖體裂隙后，形成厚度、大小和數量不同的固結體，煤巖體的整體性和抗壓強度顯著提高。與此同時，注漿后錨桿和錨索的錨固力得到了顯著提高，充分發揮了錨桿與錨索的聯合支護作用，從而使注漿加固區域內煤巖體的承載能力有了顯著的提升。

4 末采注漿加固技術應用

4.1 注漿材料的選擇

綜合考慮末采期間礦壓顯現規律及按照《煤礦井下反應型高分子材料安全管理辦法(試行)》的具體要求，選用新一代的硅酸鹽改性聚氨酯注漿加固材料馬麗散NS做為末采注漿加固工程的注漿材料。馬麗散NS與其他有機類加固材料對比具有以下優點：反應溫度小于100℃；反應過程及生成物不受水的影響；材料本身具有阻燃性，不需要添加任何阻燃劑；材料本身具有抗靜電特性；氧指數大于28%。

4.2 剩余煤柱及最佳注漿時機的確定

工作面貫通前通過停采等壓控制基本頂斷裂位置及來壓強度，通過式(1)、式(2)和式(3)可確定等壓位置及其對應的剩余煤柱寬度，并在此時開始掛網，并對回撤通道正幫及頂板進行注馬麗散NS加固補強，保證貫通及回撤支架時不片幫漏頂。

工作面煤體加固前單軸抗壓強度σp=13MPa，上覆巖層平均重度γ=26.46kN/m3，煤體黏聚力c=3.0MPa，煤體內摩擦角φ=28°，上覆巖層厚度H=350m，側壓系數λ=0.5，回采高度h=3.2m。求得剩余煤柱破碎區寬度R1=3.98m，剩余煤柱承壓寬度w0=2.14m，剩余煤柱寬度w=w0+2R1=10.1m。即在工作面推進至距回撤通道正幫10.1m時，開始組織掛柔性網，停采調整礦壓，同時在主回撤通道的正幫及頂板進行注漿加固補強。

4.3 注漿技術參數

22206主回撤通道、22206輔運巷和22206運輸巷靠近回撤通道10m段，均勻布置注漿鉆孔。注漿工程初期通過施工注漿試驗孔、注漿效果檢測孔及取芯測強度等方式來確定注漿孔的合理布置參數、注漿量及注漿終壓。注漿孔垂直煤壁仰角45°開孔，孔徑42mm，孔深5m，孔間距為3～4m，封孔器距離孔口1.5m，合計86個孔，如圖3所示。注漿鉆孔使用風鉆或錨索鉆機等鉆孔施工機具。成孔困難時，使用中空麻花鉆桿直接打入破碎煤體后，利用中空麻花鉆桿注漿。單孔注漿量850kg較為合適，注漿終壓控制在6～8MPa。若長時間不升壓，采用間歇注漿方式，間隔時間不宜超過1min。注漿終壓和注漿量為注漿結束的兩個控制性指標，以注漿壓力作為第一結束標準，以單孔注漿量作為第二結束標準。按照以上參數注漿，測得加固后煤體的單軸抗壓強度為13MPa。

圖3 22206工作面主回撤通道注漿孔布置參數

4.4 注漿效果分析

22206主回撤通道及工作面兩巷煤幫注馬麗散NS加固后，工作面末采最后一次周期來壓強度、范圍與相鄰的22205工作面相比明顯降低，末采期間相鄰兩個工作面的情況對比見表1。通過數據對比分析，22206主回撤通道注馬麗散NS加固后，工作面貫通時的礦壓顯現強度和范圍、機尾巷道底鼓及回撤通道頂板下沉和底鼓等均得到有效控制，實現工作面安全順利貫通及安全高效快速地回撤工作面設備。

表1 末采期間相鄰兩個工作面的情況對比

5 結 論

1)通過對末采剩余煤柱兩側煤體受力分析，確定了最佳注漿時機，即工作面與回撤通道間煤柱剩余寬度10.1m時進行。

2)馬麗散NS加固材料在注入破碎煤巖體裂隙內后，形成厚度、大小和數量不同的固結體，能夠顯著提高破碎煤巖體的整體性和抗壓強度，測得加固后煤體的單軸抗壓強度為13MPa。

3)工作面末采期間對主回撤通道正幫及頂板注馬麗散NS加固材料，能有效控制煤柱和頂板的穩定，防止漏矸及冒頂事故的發生，實現安全高效、快速工作面回撤。