深井沿空掘巷窄煤柱破坏变形及间歇注浆加固技术应用

2016-05-18车云立

中国煤炭工业 2016年11期

文/车云立

文/车云立

鉴于深部巷道围岩裂隙发育，锚网及架棚等传统支护不能有效控制矿山压力影响，造成已掘巷道翻修工程量大，劳动强度高，严重制约煤矿安全高效生产实际,目前，国内外煤矿研究工作者已着手开展壁后打设中空注浆锚杆及注浆管，通过喷浆封闭围岩松散破碎状况，借助注浆泵充填加固围岩裂隙，重新构建围岩稳定结构。但对于深部留窄煤柱沿空掘进巷道，喷浆封闭依然存在着施工难度大、工程投入量高、影响掘进施工进度等制约因素。基于此，为了保证深部留窄煤柱沿空掘进巷道的安全生产，平顶山天安煤业股份有限公司十一矿采用注浆管长短结合，间歇注浆加固技术有效解决了掘进过程中巷道两帮收敛量大和煤岩体松散破碎等问题。这对于促进矿井的长期可持续发展有重要的理论意义和实用价值。

一、工程概况

1.巷道地质条件

平煤股份十一矿丁5-6-26021风巷位于二水平丁六采区西翼，东起二水平丁六回风下山保护煤柱，西至采区边界，南帮留有5米煤柱为丁5-6-22122采空区，北帮为原生煤。巷道掘进沿着丁5煤层顶板施工，采用梯形锚网支护，断面4600mm×2800mm（宽×高）。

丁5煤层地质构造简单，直接顶为砂质泥岩、泥岩，厚度为5m，基本顶为砂质泥岩，厚度为4.45m；直接底为泥岩，厚度为5.82m，基本底为砂质泥岩，厚度为1.8m。由于受丁5-6-22122工作面采动影响，巷道围岩节理发育、松散破碎，顶板及两帮稳固性差，受侧压影响底鼓严重，巷道掘进过程中应加强顶板管理，增加支护强度。

2.巷道围岩力学性质

丁5-6-26021风巷受煤层厚度不稳定且伴有夹矸，煤岩体本身因变质程度等因素的影响，单轴抗压强度通常在5～30MPa之间，煤岩体裂隙比较发育。煤层的直接顶岩层由泥岩、砂质泥岩等强度较低的岩层组成，厚度不大，上一区段工作面煤层采出后，直接顶岩层一般随煤层的采出而及时垮落。位于直接顶之上的基本顶岩层，由厚度较大、强度较高的砂质泥岩、砂岩等组成，并不随直接顶的垮落而及时垮落。由于顶板垮落特点和赋存状态比较特殊，将会对沿空巷道在掘进期间变形破坏发生较大的影响。煤层底板中一般紧靠煤层的岩层多由泥岩、砂质泥岩等组成，强度通常较低，较深部的底板通常强度较高，对巷道的围岩变形一般不会产生本质性的影响。

二、深井沿空掘巷失稳特性

1.深井沿空掘巷围岩应力环境分析

通过现场实测、理论及试验研究表明，采空区边缘煤体的应力分布和变形与破坏状态具有一定规律。煤体边缘的力学状态可分为以下几区，如图1所示。

（1）卸载松散区。位于煤体边缘，煤体连续性遭到很大程度的破坏，裂隙及其发育呈碎裂状，变形加剧，承载能力下降，在全压力应变过程中处于峰后末端，在此区的巷道受到一定程度的变形压力的影响。

（2）塑性强化区。位于卸载区和支撑压力峰值位置之间，煤体己经进入塑性变形和破坏阶段，在较高的围压作用下仍保持其连续性，且有一定的承载能力。在此范围内的巷道受较大的支撑压力和煤体变形压力的影响。

（3）弹性变形区。位于煤体边缘支撑压力峰值区过渡到原始应力区，煤体有较高的应力，煤体保持弹性变形状态;此范围煤体有较高的承载能力；此区内的巷道变形量较小。

（4）原始应力区。距煤体边缘较远，煤体应力和变形基本不受采空区影响。

图1采场侧向支承压力分布规律简化模型

2.深井沿空掘巷围岩变形现场观测分析

通过对沿空巷道围岩应力环境分析，采用现场观测巷道围岩变形量，掌握深井沿空掘巷围岩变形与移动的基本规律。综合分析观测数据，得到深井沿空巷道受掘进影响的变形规律，如图2～3所示。

图2滞后段巷道两帮收敛量曲线图

图3滞后段巷道顶底板移近量曲线图

由上图分析可得，沿空巷道掘进期间变形规律划分为以下阶段：

（1）弹性变形阶段。由于受上一区段工作面采动影响，沿空侧煤岩体处于塑性区内，围岩松散应力释放；随着沿空掘巷二次采动影响，滞后段巷道围岩塑性区发生弹性破坏。在巷道掘进后10～15天期间，沿空滞后段巷道顶底板移近量变形速度突然增大，最大达到31.4mm/d；掘后15～20天滞后段巷道两帮收敛速度急剧增加，尤其是保护煤柱帮，收敛速度远大于实体煤侧。因而，根据沿空掘巷围岩失稳特性，可将巷道掘进后0～15天划分为弹性变形阶段。

（2）破碎剧烈变形阶段。在巷道掘进后15～25天，该阶段内由于煤柱侧煤岩体发生弹性变形而变得松散破碎，同时受到上覆岩层运动失稳产生的挤压力，造成巷道底鼓及保护煤柱侧煤岩体收敛严重。因而，将巷道掘进后15～25天划分为破碎剧烈变性区。

通过对沿空滞后段巷道围岩变形分析及掘进后变形规律阶段划分，最终确定最佳注浆效果是沿空巷道掘进后15天，如果按照每天掘进速度为7m/d来计算，巷道壁后注浆最佳方位为滞后迎头105m；鉴于保护煤柱侧巷道收敛量远大于实体煤侧及上覆岩层运动侧压增大造成底鼓严重等因素，将注浆位置选择在沿空掘巷窄煤柱，同时底部注浆管下扎50°，重构保护煤柱侧整体围岩性能。

三、间歇注浆加固技术及实施效果

1.间歇注浆支护设计

通过对沿空滞后段巷道围岩变形分析及掘进后变形规律阶段划分，将注浆加固试验区选择在丁5-6-26021风巷750m处保护煤柱侧，滞后迎头约100m。

巷道保护煤柱从顶板至底脚依次施工φ20mm× 2000mm(与顶板夹角50°)、φ20mm×2000mm(与巷道夹角90°)、φ20mm×2500mm(与底板夹角50°)三根中空注浆管，外端带丝扣，且带丝扣的一端安装阀门，丝扣露出锚网外50mm。

针对深井沿空掘巷保护煤柱侧煤岩体松散破碎的特点，浆液渗透扩散充填加固破碎煤岩裂隙，重构保护煤柱整体性能。不仅要保证注浆材料借助注浆泵压力均匀充填煤岩裂隙，而且还要避免注浆期间保护煤柱松散煤岩体出现大面积漏浆、跑浆现象。综合考虑，确定水灰比为1∶1，水玻璃模数为16Be’（稀释水玻璃体积比为1∶2），水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.3是最佳的配合比。

通过对注浆泵的使用情况及优缺点，选择ZBYSB50/18-7.5型煤矿用电动液压注浆泵完全符合破碎煤岩体区域注浆要求。

同时，为防止水泥-水玻璃浆液在注浆停止泵期间失去流动性快速凝胶而导致出浆管堵塞，需要在注浆接头加装泄压冲水阀门。针对注浆期间接头处压力过大的特点，在泄压装置及注浆口处均安装卸载高压阀门。

2.间歇注浆施工工艺

传统喷浆封闭后再注浆，无法保证沿空滞后段巷道在进入破碎剧烈变形阶段之前进行注浆加固，进而错失注浆施工的最佳时间，一旦保护煤柱完全松散破碎而失去整体结构性能，也就失去注浆的意义。因此，沿空巷道不喷浆封闭注浆加固需要考虑注浆管封孔及间歇施工技术两方面因素。

准备阶段，需要增加注浆管外口封孔长度，并用棉纱将封孔端缠紧，借用风锚头推力将注浆管外口封实，必要情况减少注浆管出液孔的数量，确保注浆过程中浆液能够进入深部煤岩体稳定区域，防止由于外端围岩过于破碎而出现跑浆现象。

注浆初期，则采用水泥-水玻璃双液注浆，初始压力控制在2～3MPa，双液注完50Kg水泥-水玻璃混合浆液后间隔3～5分钟，通过前期双液注浆搭建保护煤柱外侧煤岩体密实稳定结构，构造后期封闭注浆环境；待水泥-水玻璃浆液与破碎煤岩体快速凝结稳定后，再单液注入水泥浆后期稳定终孔注浆压力达到5MPa，最后用水泥-水玻璃混合浆液进行封孔，防止注入浆液通过裂隙流入上一区段采空区。如此间歇注浆2～3次能够达到最佳注浆效果，实现不喷浆封闭壁后中空注浆对沿空掘巷保护煤柱注浆加固的预期设想。

3．注浆效果检验

（1）沿空巷道注浆变形特征

根据观测数据分析，沿空巷道非注浆区域窄煤柱帮收缩速度最大为2.6mm/d，平均值为1.85mm/d，而注浆区域窄煤柱帮收缩速度最大为2mm/d，平均值为1.56mm/d。沿空巷道窄煤柱侧非注浆区域收缩速度远大于注浆区域。进而说明沿空巷道窄煤柱壁后注浆技术无论在收缩量，还是收缩速度方面均能有效抑制煤柱收敛变形，增加煤柱煤岩体整体结构稳定性。

而对于未进行注浆加固的实体煤岩帮，其收缩速度无论是注浆区域还是非注浆区域基本相同，收缩速度稳定在1～2mm/d左右。

结合沿空巷道滞后段巷道变形特征，窄煤柱侧收缩变形量及收缩变形速度远大于实体煤岩侧。随着巷道注浆加固时间的累积，窄煤柱侧收缩变形速度随着注浆加固稳定性的增强，逐渐小于实体煤岩侧的收缩速度。

（2）钻孔取芯

在沿空巷道窄煤柱侧注浆区域，以注浆起始位置往里20米为起点，按照每30米取一个样进行钻孔取芯。孔径72mm，钻孔深度为2500mm，避免打通保护煤柱造成瓦斯事故。连续取芯并进行芯样完整性描述，对每孔选取2～3个芯样做抗压强度试验。

根据钻孔现场描述及抗压强度测试，结果表明注浆材料通过电动液压泵注入到沿空巷道窄煤柱破碎煤岩体后没有发生体积收缩和离层现象，能够较好保持其性能。因此，注浆加固煤岩体能够很好解决深井沿空掘巷窄煤柱侧收敛严重问题，对窄煤柱进行加固重构，使其具有一定整体性能。