综放面沿空护巷小煤柱注浆加固试验研究

乔 越

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045008）

1 工程背景

阳煤集团五矿8407综放工作面位于井田四采区，8407工作面主要开采15#煤层，煤层平均厚度为7m，平均倾角6°，工作面走向长1177m，倾斜长189m，采用综采放顶煤开采技术，煤层顶板主要以泥岩、砂岩和细砂岩为主，底板主要为细砂岩和砂质泥岩，8407工作面东侧为已经回采完成的8409工作面采空区，8407回风巷待8409工作面采空区覆岩运动稳定后留设10m小煤柱沿空掘进，采用沿煤层顶板掘进方式。8407回风巷采用矩形断面，断面净宽为5m、净高为4m，顶板采用长短锚索进行支护，每排布置5根直径为21.8mm、长度为5200mm的锚索，中部三根垂直于顶板布置，靠近帮侧两根与水平方向呈70°斜向上布置，锚索间距为1150mm、排距为850mm；为加强巷道支护强度，隔排布置1根直径为21.8mm、长度为8300mm锚索和1根直径为28.6mm、长度为10300mm的锚索，补强锚索的间距为1400mm、排距为1600mm；实体煤帮和小煤柱帮各布置5根直径为20mm、长度为2400mm的锚杆，其间距和排距均为850mm，为加强小煤柱帮强度，另布置2根直径为15.2mm、长度为4200mm的锚索，其间距为900mm、排距为1600mm，8407回风巷支护断面如图1所示。

图1 8407回风巷支护断面

2 沿空护巷小煤柱上覆围岩结构力学分析

沿空护巷小煤柱留设在上区段工作面和下区段工作面采空区之间，兼具维护沿空巷道稳定性和隔绝采空区的作用。而护巷小煤柱处于采空区边缘，其围岩稳定性受采空侧覆岩结构影响很大，采空侧顶板破断后发生旋转、下沉，相邻岩块间铰接形成砌体梁结构，尤其是岩块B，其运动形态对沿空巷道围岩稳定性影响很大，如图2所示。当本区段工作面回采时，在工作面回采动压影响下，岩块B发生剧烈变形，回转下沉严重，其静载荷和动载荷一起作用于实体煤、沿空巷道和护巷小煤柱三者组合而成的承载体上，若煤柱强度不够，则可能导致煤柱失稳破坏，巷道周围塑性区发育，顶底板及两帮位移量较大。因此提高护巷小煤柱强度对实现沿空巷道围岩稳定性具有重要作用。8407回风巷沿空掘进期间围岩变形量较小，而回采期间在动压影响下，围岩变形量较大，尤其巷道两帮移近量较大，最大处可达到2m以上，严重影响了巷道的正常使用，因此需对小煤柱进行注浆加固，以提高沿空巷道围岩的稳定性。

图2 沿空护巷小煤柱上覆围岩结构力学分析

3 沿空护巷小煤柱数值模拟研究

图3 数值模拟计算模型

以8407工作面工程地质条件建立数值计算模型，8407工作面回风巷一侧为工作面实体煤，另一侧为护巷小煤柱及8409采空区，X方向为工作面倾斜方向，Y方向为工作面推进方向，Z方向为覆岩竖直方向，故整个模型尺寸：X向取90m、Y向取140m、Z向取37.5m。8407回风巷沿15#煤层顶板掘进，巷道宽5m、高4m，护巷窄煤柱取10m，将模型左右边界、前后边界及底部边界固定，在模型顶部施加8.4MPa的垂直应力来代表覆岩容重，侧压系数按1.2选取，选用莫尔库伦准则，研究区域网格细化，较远区域网格尺寸可稍大些，整个模型共有443520个单元，469203个节点，建立的数值模型如图3所示，煤岩体物理力学参数按表1选取。

表1 煤岩体物理力学参数

计算过程：模型建立→初始地应力平衡→8409工作面开挖并充填→8407回风巷开挖支护→8407工作面开挖，对比巷道原支护下与注浆加固情况下，巷道围岩的塑性区分布，以验证注浆加固对巷道及小煤柱围岩强度及稳定性的改善。

图4 未注浆加固情况下

1）未注浆加固情况下巷道及小煤柱周边塑性区分布。图4为未注浆加固情况下巷道及小煤柱周边塑性区分布，由图可知，距离回采工作面较远80m时，工作面回采动压对巷道及小煤柱稳定性影响相对较小，小煤柱两侧开始出现塑性区，巷帮侧约2m范围，采空区侧约3m范围，巷帮侧受原支护影响塑性区发育范围小于采空区侧；当距离工作面50m时，在动压影响下塑性区由煤柱两侧向核区方向发育，此时煤柱内部核区宽度为4～5m；当距离工作面20m时，煤柱内部核区宽度已较小，仅为2m左右，承载能力大大降低，面临失稳危险；当距离工作面5m时，煤柱内部塑性区贯通，煤柱内部核区消失，基本失去承载能力，巷道顶底板及两帮塑性区发育，变形严重，已无法满足生产的需求。

（2）注浆加固情况下巷道及小煤柱周边塑性区分布

图5 注浆加固情况下

图5 为注浆加固情况下巷道及小煤柱周边塑性区分布情况，由图可知，对小煤柱注浆加固后煤柱围岩性质得到明显改善，强度得到提高，较未加固情况下煤柱两侧塑性区发育较小，在工作面超前支承压力影响范围外，巷道侧为2m范围，采空侧为3m范围；当小煤柱加固区域进入工作面回采动压影响范围内，塑性区范围有所增大，但并不明显，直到推进到距离工作面5m时，煤柱内部核区宽度仍然可达到6m左右，承载能力大大增强。煤柱强度提高后，采空侧高应力通过煤柱向巷道侧转移，巷道底板塑性区发育，引起底煤变形，底鼓现象较未加固时严重。

4 工业性试验

针对沿空巷道围岩变形严重问题，对10m小煤柱采取注浆加固措施，通过浆液在围岩裂隙中的的扩散作用，将破碎的围岩胶结为一个整体，注浆加固可提高巷道围岩结构面的强度和刚度，对围岩裂隙进行充实压密，在围岩内部形成支撑骨架，同时起到放漏风和堵水的作用。在8407回风巷距离切眼220m处进行工业性试验，注浆加固长度为100m。

4.1 注浆参数的确定

注浆材料主要由水、硅酸盐水泥、TWK—1复合剂以及TWK—2固化剂组成，其比例为水：（水泥+TWK—1 复 合 剂 ）：TWK—2 固 化 剂 =0.5：（0.85+0.15）：1.5，按该材料配合比所加固的试件其抗压强度可达到20MPa，同时具有一定的韧性。

1）注浆深度，注浆加固深度可根据围岩松动圈理论来确定，由下式计算：

式中：r为巷道半径；P为巷道巷道所受动压；φ为煤柱内煤体内摩擦角；C为煤柱内煤体内聚力；Ps为煤柱所提供支护反力，将巷道相关参数带入计算可得松动圈最大半径为4.8m，由于护巷小煤柱宽度较小，若注浆深度过大可能会导致巷道与采空区侧贯通，对安全生产造成影响，结合实际情况，注浆钻孔深度确定为3m。

2）注浆压力，根据既能使浆液渗入围岩裂隙，又不因压力过大而导致煤体被浆液劈裂的原则，结合15#煤体强度及围岩裂隙发育情况，综合确定注浆压力为 1～2MPa。

3）注浆孔布置，煤柱帮的注浆钻孔采空“五花”布置，上部两个注浆孔距离巷道顶板1000mm，与水平方向呈15°斜向上布置，距离上部注浆孔1000mm的两孔中间垂直于煤柱帮布置一个中部注浆孔，距离巷道底板1000mm垂直于煤柱帮布置两个注浆孔，上部和下部两个注浆孔孔间距为2000mm，注浆孔布置如图6所示。

图6 注浆布置图

4.2 矿压观测

小煤柱注浆加固施工完成后，在煤柱表变喷涂弹性密闭堵漏剂，将煤柱表面的裂隙堵住，从而防止采空区瓦斯逸入回采巷道。同时对注浆加固段与未注浆加固段巷道围岩变形进行观测对比，8407回风巷两帮位移变化曲线如图7所示。

图7 8407回风巷两帮位移变化图

由图7可知，巷道左帮为实体煤帮，在动压影响下出现较大变形，最大位移量达到1000mm，巷道右帮为煤柱帮，未注浆加固情况下，最大位移量可达到800mm，而注浆加固后围岩变形明显减小，仅为50mm左右，几乎可忽略不计，该现象表明对沿空小煤柱采取注浆加固措施后可提高煤柱的强度，减小煤柱帮的位移，保持沿空巷道围岩的稳定性。

5 结 论

1）护巷小煤柱处于采空区边缘，采空侧悬臂结构对煤柱施加较大载荷，在本工作面回采动压影响下，导致煤柱破碎，沿空巷道围岩变形严重。

2）通过数值模拟对未注浆加固和注浆加固条件下，小煤柱围岩塑性区分布进行比较可知，注浆加固可增加煤柱内部核区，使其强度提高。

3）在确定10m小煤柱注浆加固相关参数后，进行工业性试验，结果表明，注浆加固后煤柱强度得到提高，巷道两帮移近量得到有效控制，实现了沿空巷道围岩稳定。