淺談綜放開采煤柱失穩(wěn)破壞的注漿加固控制技術(shù)

王澤明，李恩來

(山西潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

在厚煤層綜放開采中留設(shè)的煤柱是否穩(wěn)定，受綜放開采影響的失穩(wěn)破壞煤柱如何進行穩(wěn)定性支護控制，是保證工作面生產(chǎn)安全的重要工作。從巷道支護的角度來講，注漿加固是與錨桿支護有效結(jié)合、相互作用的過程，當煤柱體或巷道在應力作用下發(fā)生破裂，巖層整體結(jié)構(gòu)力學變得越發(fā)松散、硬度降低，將不利于體現(xiàn)錨桿的支護作用，甚至可能會引起錨桿支護效果丟失，而注漿加固正好彌補了這一缺陷，即從提升煤體自身硬度和緊實度的基礎(chǔ)上，改善錨桿支護效果，是一種基于煤柱體支護原理構(gòu)建的圍巖控制方法[1]。為了加強對煤柱體穩(wěn)定性控制，提高煤炭資源的回收率，本文以52M2 工作面為例，對注漿加固技術(shù)工藝等進行說明，并對煤柱體加固控制效果進行模擬分析。

1 研究區(qū)概況

52M2 工作面位于王莊煤礦52采區(qū)，主采3號煤層，煤層均厚5.8 m，工作面整體向斜構(gòu)造，煤層傾角-2～15°，煤層頂?shù)装鍘r性分別為：①老頂為粉砂巖泥巖，均厚10.07 m；②直接頂為泥巖，均厚2.94 m；③直接底為粗粒砂巖，均厚1.88 m；④老底為粉砂質(zhì)泥巖，均厚4.21 m。52M2 工作面北部為5205工作面采空區(qū)，南部為52/3號工作面采空區(qū)，工作面巷道布置，見圖1。52M2運巷長度為 730 m，沿底板掘進，采用全錨支護，斷面為 5.0 m×3.2 m的矩形，運巷側(cè)的煤柱留設(shè)寬度為8 m，風巷側(cè)煤柱寬度呈梯形布置，寬度范圍6.0～37 m，巷道支護方式均采用全錨網(wǎng)支護，在巷道掘進過程中，巷道整體發(fā)生的移動變形和破壞較小，巷道穩(wěn)固性較好。而在綜放開采應力作用條件下，運巷側(cè)的煤柱體可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞，將使工作面安全高效開采受到嚴重威脅。

圖1 52M2 工作面布置示意

2 注漿加固控制技術(shù)

注漿技術(shù)是一種能夠?qū)γ褐w內(nèi)部結(jié)構(gòu)、煤柱和煤層整體結(jié)構(gòu)受到應力作用，發(fā)生應變和破壞起到有效控制的技術(shù)方法，它是一種基于煤柱體支護原理構(gòu)建的圍巖控制方法，通過向應力作用下發(fā)生裂隙、破碎的煤柱體中注入漿體，從而整體改變煤柱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其原有應力強度較低的物理力學特性得到加強；或者對受到應力作用發(fā)生破壞的煤體結(jié)構(gòu)進行有效控制和應力作用增強，通過注漿方法對應力作用下破壞了的煤柱體進行原有應力強度的修復和增強。它的工作原理主要表現(xiàn)為：①有效改善和提升煤柱體原有的力學特征，提高相應的應力作用支撐強度；②可以緊實空隙，遏制受到應力作用發(fā)生破壞的煤柱體遭受進一步的損壞；③提升了破裂煤柱體的緊密性，重新加強了巷道支護錨桿的支護強度，進一步提升煤柱體的穩(wěn)固性。

為了使注漿后能夠得到預想和設(shè)計的加固效果，注漿體在注入煤柱體或圍巖破裂帶時，要保持一定的速度，要求其必須達到一定的注入深度和區(qū)域，能夠在注漿后使煤柱體起到預想的支護效果和結(jié)構(gòu)強度：

1) 注漿時機的選擇。為了起到有效的注漿效果，應當綜合考慮漿體自身特性以及煤體破裂區(qū)的發(fā)育時間和過程，在不同時間，選擇不同流速的漿體，以及能夠達到不同的滲透效果。所以注漿時機應當選擇在應力作用強度峰值過后的某個時間段和某個區(qū)域位置，該階段的注漿效果最好。注漿時機的選擇條件如下：破裂帶發(fā)育，且在應力作用下煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幫體仍具有一定的穩(wěn)定性。

2) 注漿完成漿液固化后的強度。漿液的材料構(gòu)成和比例組成，應當能夠體現(xiàn)出很好的韌性、滲透性及粘結(jié)性能，能夠與煤體進行有效的粘結(jié)，漿液固結(jié)后能夠與煤體形成完整的支護體系，固結(jié)煤體的整體強度就高。本次工作面注漿，選擇的是20 MPa超細硫鋁酸鹽水泥基注漿材料。

3) 注漿孔布置方式。注漿孔的布置沒有嚴格布置方式，而是基于應力作用下煤體發(fā)生的裂隙范圍和區(qū)域等進行注漿孔設(shè)計。但注漿孔一般按照上、下布置，且每層孔的具有一定的方位和傾角，仰角為0°，鉆孔孔深與煤柱寬度B一致，相鄰鉆孔間距為2L，如圖2(a)所示；上排鉆孔施工水平角為0°，仰角為a，鉆孔孔深為B，相鄰鉆孔間距為2L，如圖2(b)所示。

圖2 沿底掘進注漿鉆孔布置示意

4) 注漿壓力。壓力的大小決定了注漿體是否能夠按照預期效果注入到破裂帶中，以及是否會影響到破裂帶的整體發(fā)育。所以，注漿壓力的選擇，應當充分考慮破裂帶的發(fā)育情況、煤層地質(zhì)構(gòu)成等因素。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料和煤層特性，選擇壓力值為2～5 MPa，壓力大小不是定值，而是隨著工程實際要求進行改動。

5) 注漿加固與窄煤柱穩(wěn)定性控制。現(xiàn)有研究中，對綜放回采窄煤柱穩(wěn)定性方面的研究，大都忽略了綜采工作面端頭位置，即忽略了端頭位置由于受到綜放開采產(chǎn)生的應力變化發(fā)生的圍巖垮落，對相鄰工作面窄煤柱造成的影響。雖然現(xiàn)有研究中有對端頭圍巖注漿的實例探討，但其中對垮落形態(tài)以及注漿的相應參數(shù)等描述、說明不足，導致這些實踐案例喪失了應具有的指導意義。而在綜放開采實踐中，在覆巖未達到充分穩(wěn)定條件下，窄煤柱的力學環(huán)境更為復雜，在科學合理的加強支護條件的同時，應進行相應的注漿加固，防止煤柱因區(qū)域性的穩(wěn)定性喪失而導致整體失穩(wěn)，從而起到阻止煤柱變形、增強煤柱承載和封堵漏風的控制作用。

堵漏風。在受到綜放開采影響下，過窄煤柱或者破壞較為嚴重的煤柱，在煤柱體內(nèi)形成的裂隙處于貫通狀態(tài)，形成了一個漏風通道，而對煤柱進行注漿充填，可以有效地將漏風通道進行封堵，即使裂縫發(fā)育，在注漿充填后也很難形成較為順通的漏風通道，在很大程度上可以降低煤層自然起火的危險。為了達到有效的封堵效果，充填體的高度應與煤柱的高度一致，注漿的范圍可以根據(jù)鉆探的結(jié)果進行適當?shù)恼{(diào)整，如果根據(jù)鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育或漏風通道較為發(fā)達，應適當加大注漿范圍并及時縮短注漿漿體的凝結(jié)時間。

阻變形。在受到綜放開采影響，窄煤柱不僅會發(fā)生較大的變形，在擾動影響下，還容易造成近采空區(qū)側(cè)煤柱支護錨桿的部分實效，從而造成窄煤柱支護效果的降低，如果頂板垮落煤巖體整體剛度不夠，不能夠為煤柱提供一定的約束力，也會造成煤柱失穩(wěn)。注漿充填增強煤柱內(nèi)巖體的剛度，在一定程度上可以提升煤柱的約束力，防止煤柱受動壓影響而變形過大。

能承載。同樣，綜放開采促使煤柱體的被動受力提升，在礦壓影響下其很難保持自身的穩(wěn)定性。注漿充填后，可使煤柱體的殘余承載力得到增強，提高煤柱體的穩(wěn)定性。同時，煤柱承載能力的增強也能為沿空巷道提供良好的應力環(huán)境，對煤柱及沿空巷道穩(wěn)定性控制均具有重要意義。

3 注漿加固支護下煤柱變形破壞特征

注漿加固方案選用20 MPa超細硫鋁酸鹽水泥基注漿材料，此材料由兩部分組合而成，有利于控制漿液凝結(jié)速度，使?jié){液在管中24 h甚至更長時間內(nèi)不凝結(jié)并可泵。而該種材料凝結(jié)固化時具有微膨脹性，當試件受力超過其最大強度，其承載能力會緩慢降低，直到殘余強度為2 MPa時取消加載，此時已破裂的試件經(jīng)過適當養(yǎng)護便可重新愈合，固結(jié)后的煤體強度也會有所恢復。因此，對于有較大變形的煤柱，可選擇使用超細硫鋁酸鹽水泥基注漿材料。本文基于數(shù)值模擬軟件對注漿加固支護下的煤柱變形破壞特征進行數(shù)值模擬分析。

1) 煤體中裂隙經(jīng)過固結(jié)后的注漿材料的充填，煤體強度增高，且塑性增強脆性減弱，煤體受力狀態(tài)變化可表明注漿加固的作用。注漿加固前后，煤柱的垂直應力峰值分別為41.67 MPa和58.73 MPa，煤柱的應力峰值提高了40.94%，表明超細硫鋁酸鹽水泥基注漿材料顯著提高了煤柱所能承受的峰值應力，見圖3。

圖3 煤柱垂直應力曲線圖

2) 在超細硫鋁酸鹽水泥基材料注漿加固下，煤柱幫的水平位移，見圖4，注漿加固后，煤柱產(chǎn)生的最大位移量為299 mm，相比沒有采用注漿技術(shù)之前的最大位移量降低了41.02%，且煤柱仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以說明，在采用注漿加固方案中，可以適當縮小煤柱的留設(shè)寬度。

圖4 煤柱幫水平位移曲線圖

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬分析可以看出，對煤柱體進行注漿加固明顯提高了煤柱體整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，發(fā)生破壞后的煤體結(jié)構(gòu)得到了有效控制和應力作用增強。但為了在綜放開采過程中維護巷道的穩(wěn)定，應當加強煤柱體變形破壞的控制實測，并且根據(jù)注漿加固基本原理對注漿加固時機、漿體結(jié)構(gòu)、注漿方法等進行合理選擇，提高注漿加固的效果。