沿空掘巷煤柱加固技術(shù)研究

常永強(qiáng)

【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(jìn)方式，是煤礦生產(chǎn)中減少煤柱壓煤的有效技術(shù)措施，在一些地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單的礦井應(yīng)用較多。沿空掘巷有利于方便巷道維護(hù)和提高煤炭回收率，但使用中必須嚴(yán)格控制留設(shè)煤柱的寬度尺寸，這也是確保巷道安全穩(wěn)定，減少支護(hù)壓力的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】沿空掘巷;加固技術(shù);煤柱

引言

自進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平有了巨大的提升，能源經(jīng)濟(jì)在其中占有重要的地位，國(guó)家的快速發(fā)展對(duì)能源的需求也越來越大，尤其是對(duì)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(zhuǎn)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(shè)小煤柱方法。許多研究人員對(duì)沿空掘巷開采方法進(jìn)行了大量的研究，在煤柱應(yīng)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(shí)，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(yán)重影響工作面的正?；夭?。

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(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，無斷層、陷落柱等大構(gòu)造，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采的煤層。2106工作面的東部為已經(jīng)結(jié)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(jìn)，目前2106工作面回風(fēng)巷已經(jīng)掘進(jìn)完畢，工作面即將進(jìn)行回采，工作面布置圖如圖1所示。工作面之間留設(shè)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(jìn)，支護(hù)方式為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。工作面直接頂為泥巖，厚度約為8m，巖層強(qiáng)度較低，基本頂巖性包括細(xì)砂巖和石灰?guī)r，厚度分別為3.5m和5m，巖層堅(jiān)硬致密，強(qiáng)度較大。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤技術(shù)開采，采用全部垮落法處理頂板。根據(jù)對(duì)巷道掘進(jìn)過程中煤柱幫變形的監(jiān)測(cè)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(duì)煤柱強(qiáng)度進(jìn)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(cè)的低應(yīng)力場(chǎng)，以便于巷道維護(hù)，減少變形量，留設(shè)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(yīng)用的巷道掘進(jìn)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(jìn)行回采作業(yè)。此過程中，回采區(qū)域圍巖的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生比較大的變化，并產(chǎn)生一定程度的位移，回采巷道頂部巖塊會(huì)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(nèi)部空間松散，回填區(qū)域內(nèi)支撐力不足，容易導(dǎo)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(hù)窄煤柱承受的壓力也會(huì)增大，繼而對(duì)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(huì)對(duì)窄煤柱及附近圍巖產(chǎn)生較大的豎向和側(cè)向的壓應(yīng)力，且應(yīng)力會(huì)隨著巖層的不斷彎曲下沉而向下區(qū)段內(nèi)部轉(zhuǎn)移。生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究顯示，沿空掘巷所承受的應(yīng)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(yīng)力峰值，以后則會(huì)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(yīng)力區(qū)、彈性變形區(qū)、塑性變形區(qū)、松散免壓區(qū)4個(gè)區(qū)域。原巖應(yīng)力區(qū)與矸石冒落區(qū)較遠(yuǎn)，基本不受應(yīng)力變化的影響，該區(qū)域受力主要以原巖應(yīng)力為主;彈性變形區(qū)位于原巖應(yīng)力區(qū)與應(yīng)力峰值之間，距冒落區(qū)較遠(yuǎn)，受影響較小，巖體連續(xù)性未遭到破壞，可承受較高的應(yīng)力;塑性變形區(qū)位于應(yīng)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(dòng)下受到比較大的破壞，變形較大，結(jié)構(gòu)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(yīng)力小，可減輕巷道圍巖所承受的煤體變形壓力和側(cè)向支撐壓力。

3注漿加固方案設(shè)計(jì)

3.1試驗(yàn)地點(diǎn)

本次對(duì)煤柱進(jìn)行加固的地點(diǎn)為2106工作面回風(fēng)巷，因生產(chǎn)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(chǎng)煤體及圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，3#煤層的抗壓強(qiáng)度約為6MPa，頂板細(xì)砂巖巖層抗壓強(qiáng)度約為51MPa，石灰?guī)r巖層抗壓強(qiáng)度約為102MPa，煤層強(qiáng)度較小，頂板巖層強(qiáng)度較大，因此注漿材料主要為硅酸鹽水泥，并添加復(fù)合劑以及固化劑，其中復(fù)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(nèi)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(jì)算

對(duì)煤柱進(jìn)行注漿時(shí)，需根據(jù)巷道開挖后圍巖的塑性破壞區(qū)域進(jìn)行確定，根據(jù)松動(dòng)圈理論，巷道開挖后松動(dòng)圈的半徑計(jì)算公式為： 式中：r為回風(fēng)巷的半徑，m;P為巷道圍巖承受的應(yīng)力水平，MPa;φ為煤體的內(nèi)部摩擦角，°;C為煤體內(nèi)的粘聚力，MPa;Ps為巷道的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。2106回風(fēng)巷寬度為5.2m，取其一半為2.6m，巷道圍巖的應(yīng)力水平主要與埋深有關(guān)，由于煤層埋深平均為500m，取應(yīng)力水平為9MPa，3#煤內(nèi)部摩擦角取27°，粘聚力取為1MPa，由于煤柱注漿時(shí)未對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，因此支護(hù)力大小為0。將各參數(shù)代入上式中，計(jì)算得松動(dòng)圈半徑為4.8m。對(duì)煤柱進(jìn)行注漿時(shí)，注漿深度一般需大于松動(dòng)圈半徑，但2106工作面煤柱在上區(qū)段工作面一側(cè)受采動(dòng)影響破壞比較嚴(yán)重，若注漿孔深度過大易出現(xiàn)與采空區(qū)連通情況，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的瓦斯等有害氣體進(jìn)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(duì)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(duì)煤柱進(jìn)行注漿時(shí)，若注漿壓力較小，漿液在煤柱內(nèi)的流動(dòng)動(dòng)力過小，導(dǎo)致漿液無法在煤體內(nèi)擴(kuò)散，注漿效果差。若注漿壓力過大，漿液的沖擊力會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)的裂隙擴(kuò)大，導(dǎo)致煤柱進(jìn)一步發(fā)生破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育情況的觀測(cè)，煤柱內(nèi)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(kuò)散半徑確定

注漿液擴(kuò)散半徑主要為漿液在煤柱內(nèi)的擴(kuò)散范圍，其主要由煤柱內(nèi)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(jīng)驗(yàn)，確定注漿孔的擴(kuò)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(kuò)散到整個(gè)煤柱內(nèi)，其次可以避免漿液的浪費(fèi)，保證注漿效果。由于漿液在煤體內(nèi)的擴(kuò)散半徑為1.5m，因此確定注漿孔的布置設(shè)計(jì)為五花狀，即注漿孔為一、二布置，第一排布置一個(gè)注漿孔，第二排布置兩個(gè)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(jié)語

在生產(chǎn)實(shí)踐中，利用公式計(jì)算初步確定窄煤柱尺寸，通過對(duì)沿空掘巷深部位移觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3m以上范圍內(nèi)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(shí)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(xiàn)：

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

[2]劉興濱.覆巖隔離注漿充填技術(shù)在經(jīng)坊煤業(yè)的應(yīng)用[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2017.

（作者單位：冀中能源邯礦集團(tuán)聚隆礦業(yè)有限公司生產(chǎn)準(zhǔn)備隊(duì)）