綜放面沿空護巷小煤柱注漿加固試驗研究

喬 越

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045008）

1 工程背景

陽煤集團五礦8407綜放工作面位于井田四采區，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，煤層頂板主要以泥巖、砂巖和細砂巖為主，底板主要為細砂巖和砂質泥巖，8407工作面東側為已經回采完成的8409工作面采空區，8407回風巷待8409工作面采空區覆巖運動穩定后留設10m小煤柱沿空掘進，采用沿煤層頂板掘進方式。8407回風巷采用矩形斷面，斷面凈寬為5m、凈高為4m，頂板采用長短錨索進行支護，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；為加強巷道支護強度，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，補強錨索的間距為1400mm、排距為1600mm；實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，為加強小煤柱幫強度，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回風巷支護斷面如圖1所示。

圖1 8407回風巷支護斷面

2 沿空護巷小煤柱上覆圍巖結構力學分析

沿空護巷小煤柱留設在上區段工作面和下區段工作面采空區之間，兼具維護沿空巷道穩定性和隔絕采空區的作用。而護巷小煤柱處于采空區邊緣，其圍巖穩定性受采空側覆巖結構影響很大，采空側頂板破斷后發生旋轉、下沉，相鄰巖塊間鉸接形成砌體梁結構，尤其是巖塊B，其運動形態對沿空巷道圍巖穩定性影響很大，如圖2所示。當本區段工作面回采時，在工作面回采動壓影響下，巖塊B發生劇烈變形，回轉下沉嚴重，其靜載荷和動載荷一起作用于實體煤、沿空巷道和護巷小煤柱三者組合而成的承載體上，若煤柱強度不夠，則可能導致煤柱失穩破壞，巷道周圍塑性區發育，頂底板及兩幫位移量較大。因此提高護巷小煤柱強度對實現沿空巷道圍巖穩定性具有重要作用。8407回風巷沿空掘進期間圍巖變形量較小，而回采期間在動壓影響下，圍巖變形量較大，尤其巷道兩幫移近量較大，最大處可達到2m以上，嚴重影響了巷道的正常使用，因此需對小煤柱進行注漿加固，以提高沿空巷道圍巖的穩定性。

圖2 沿空護巷小煤柱上覆圍巖結構力學分析

3 沿空護巷小煤柱數值模擬研究

圖3 數值模擬計算模型

以8407工作面工程地質條件建立數值計算模型，8407工作面回風巷一側為工作面實體煤，另一側為護巷小煤柱及8409采空區，X方向為工作面傾斜方向，Y方向為工作面推進方向，Z方向為覆巖豎直方向，故整個模型尺寸：X向取90m、Y向取140m、Z向取37.5m。8407回風巷沿15#煤層頂板掘進，巷道寬5m、高4m，護巷窄煤柱取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的垂直應力來代表覆巖容重，側壓系數按1.2選取，選用莫爾庫倫準則，研究區域網格細化，較遠區域網格尺寸可稍大些，整個模型共有443520個單元，469203個節點，建立的數值模型如圖3所示，煤巖體物理力學參數按表1選取。

表1 煤巖體物理力學參數

計算過程：模型建立→初始地應力平衡→8409工作面開挖并充填→8407回風巷開挖支護→8407工作面開挖，對比巷道原支護下與注漿加固情況下，巷道圍巖的塑性區分布，以驗證注漿加固對巷道及小煤柱圍巖強度及穩定性的改善。

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分布。圖4為未注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區分布，由圖可知，距離回采工作面較遠80m時，工作面回采動壓對巷道及小煤柱穩定性影響相對較小，小煤柱兩側開始出現塑性區，巷幫側約2m范圍，采空區側約3m范圍，巷幫側受原支護影響塑性區發育范圍小于采空區側；當距離工作面50m時，在動壓影響下塑性區由煤柱兩側向核區方向發育，此時煤柱內部核區寬度為4～5m；當距離工作面20m時，煤柱內部核區寬度已較小，僅為2m左右，承載能力大大降低，面臨失穩危險；當距離工作面5m時，煤柱內部塑性區貫通，煤柱內部核區消失，基本失去承載能力，巷道頂底板及兩幫塑性區發育，變形嚴重，已無法滿足生產的需求。

（2）注漿加固情況下巷道及小煤柱周邊塑性區分布

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分布情況，由圖可知，對小煤柱注漿加固后煤柱圍巖性質得到明顯改善，強度得到提高，較未加固情況下煤柱兩側塑性區發育較小，在工作面超前支承壓力影響范圍外，巷道側為2m范圍，采空側為3m范圍；當小煤柱加固區域進入工作面回采動壓影響范圍內，塑性區范圍有所增大，但并不明顯，直到推進到距離工作面5m時，煤柱內部核區寬度仍然可達到6m左右，承載能力大大增強。煤柱強度提高后，采空側高應力通過煤柱向巷道側轉移，巷道底板塑性區發育，引起底煤變形，底鼓現象較未加固時嚴重。

4 工業性試驗

針對沿空巷道圍巖變形嚴重問題，對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散作用，將破碎的圍巖膠結為一個整體，注漿加固可提高巷道圍巖結構面的強度和剛度，對圍巖裂隙進行充實壓密，在圍巖內部形成支撐骨架，同時起到放漏風和堵水的作用。在8407回風巷距離切眼220m處進行工業性試驗，注漿加固長度為100m。

4.1 注漿參數的確定

注漿材料主要由水、硅酸鹽水泥、TWK—1復合劑以及TWK—2固化劑組成，其比例為水：（水泥+TWK—1 復 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度可達到20MPa，同時具有一定的韌性。

1）注漿深度，注漿加固深度可根據圍巖松動圈理論來確定，由下式計算：

式中：r為巷道半徑；P為巷道巷道所受動壓；φ為煤柱內煤體內摩擦角；C為煤柱內煤體內聚力；Ps為煤柱所提供支護反力，將巷道相關參數帶入計算可得松動圈最大半徑為4.8m，由于護巷小煤柱寬度較小，若注漿深度過大可能會導致巷道與采空區側貫通，對安全生產造成影響，結合實際情況，注漿鉆孔深度確定為3m。

2）注漿壓力，根據既能使漿液滲入圍巖裂隙，又不因壓力過大而導致煤體被漿液劈裂的原則，結合15#煤體強度及圍巖裂隙發育情況，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中部注漿孔，距離巷道底板1000mm垂直于煤柱幫布置兩個注漿孔，上部和下部兩個注漿孔孔間距為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，從而防止采空區瓦斯逸入回采巷道。同時對注漿加固段與未注漿加固段巷道圍巖變形進行觀測對比，8407回風巷兩幫位移變化曲線如圖7所示。

圖7 8407回風巷兩幫位移變化圖

由圖7可知，巷道左幫為實體煤幫，在動壓影響下出現較大變形，最大位移量達到1000mm，巷道右幫為煤柱幫，未注漿加固情況下，最大位移量可達到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，該現象表明對沿空小煤柱采取注漿加固措施后可提高煤柱的強度，減小煤柱幫的位移，保持沿空巷道圍巖的穩定性。

5 結 論

1）護巷小煤柱處于采空區邊緣，采空側懸臂結構對煤柱施加較大載荷，在本工作面回采動壓影響下，導致煤柱破碎，沿空巷道圍巖變形嚴重。

2）通過數值模擬對未注漿加固和注漿加固條件下，小煤柱圍巖塑性區分布進行比較可知，注漿加固可增加煤柱內部核區，使其強度提高。

3）在確定10m小煤柱注漿加固相關參數后，進行工業性試驗，結果表明，注漿加固后煤柱強度得到提高，巷道兩幫移近量得到有效控制，實現了沿空巷道圍巖穩定。