注浆加固技术在沿空掘巷中的应用探讨

孟三军

（山西潞安环能上庄煤业有限公司，山西 长治 046000）

目前国内深井开采工作面掘进方式主要采用沿空掘巷。 根据采空区应力分布曲线图可知，在临近采空区掘进时，将掘进巷道布置在距离采空区一定位置，可以大大减少巷道所承受的压力，能够减轻掘进巷道支护难度。 但是随着工作面的回采，新采空区的形成会打破原有的应力平衡，导致巷道变形严重，影响通风和物料运输[1-4]。因此，对沿空掘巷煤柱进行注浆加固，提高煤柱强度，是保证回采期间巷道支护稳定的有效手段。

1 工作面概况

常村煤矿1107 工作面，煤厚平均6.5 m，倾角5°，煤层结构简单，煤层伪顶局部发育为炭质泥岩和泥岩，直接顶为砂质泥岩，基本顶为中- 细粒砂岩，底板为砂质泥岩和泥岩。 1107 工作面走向长度为1 150 m，倾向长度为175 m；东临1109 工作面采空区。1107 工作面上巷为回风巷，紧邻1109 工作面，留设8 m煤柱进行沿空掘巷，沿顶掘进，见图1。

图1 1107 工作面位置关系

1107 上巷为矩形支护， 净断面为宽5 m×高4 m，采用锚网支护；顶板共布置一排5 根锚索，工作面内侧和沿空侧分别布置5 根锚索，排间距0.85 m；每隔1.6 m布置两根长度分别8.3 m和10.3 m的补强锚索用以加强支护。 1107 工作面上巷支护，见图2。

图2 1107 上巷断面

2 沿空掘巷煤柱顶板岩层受力分析

沿空掘巷护巷煤柱位于1107 工作面上巷和1109 工作面采空区中间，能够起到隔离采空区的作用，防止漏风和瓦斯逸出，同时一定宽度的煤柱可以利用采空区侧向应力分布规律，有效减少所受应力。 但是护巷煤柱紧邻采空区，受到采空区覆岩影响较大， 采空区顶板岩石断裂后发生下沉和移动，形成砌体梁结构，特别是岩体B，其状态直接影响煤柱的稳定性。 在本工作面开始回采时，因受采动影响，岩体B会发生很大的形变和回转，此时实体煤、护巷煤柱和巷道将共同承受应力变化，如果护巷煤柱不能提供较强的刚性而发生塑性变形，则塑性失稳状态会传递给巷道，使巷道顶板及两帮发生多处变形和位移。 所以，提高沿空掘巷煤柱强度对保护沿空巷道具有重要意义。1107 工作面上巷在掘进期间变形较小，但回采过程中巷道两帮出现了明显的位移，最大位移量1.8 m，严重破坏巷道围岩稳定性，出现冒顶片帮等安全问题。 因此需要对护巷煤柱进行加固，提高回采过程中的抗压能力。

图3 沿空掘巷煤柱上覆岩层力学分析

3 注浆加固技术方案

为了解决回采过程中沿空巷道围岩变形问题，对8 m护巷煤柱进行了注浆加固。 利用浆液对护巷煤柱塑性区域进行渗透， 同时填充煤体及围岩裂隙，增加护巷煤柱整体的稳定性和抗压性能。 通过注浆加固还可以提高煤柱的密闭性， 防止漏风、渗水等情况发生。 本次注浆加固选择在1107 上巷距切眼180 m处进行试验，工作面护巷煤柱加固长度80 m。

注浆加固参数选择：

1）注浆材料：主要组分为水、水泥、TWK-1 复合剂和TWK-2 固化剂等组成，其混合比例为水:水泥：TWK-1 复合剂:TWK-2 固化剂=0.5:0.85:0.15:1.5，经测试，按照上述配比的注浆材料凝固后抗压强度近20 MPa，并具有相对的韧性。

2）注浆范围：注浆范围可按照围岩松动圈公式进行计算：

式中：R为松动圈半径；r为巷道宽度；P为巷道所受回采动压；φ为煤柱内煤体内摩擦角；C为煤柱内煤体内聚力；Ps为煤柱的支护反力，经计算，松动圈的最大半径为4.5 m，因为护巷煤柱较窄，若注浆范围过大有可能导通采空区，致使注浆材料大量浪费甚至影响安全生产，综合考虑，确定孔深为3 m。

3）注浆压力：注浆压力的选择既要保证浆液可以有效的渗入煤体孔隙和裂隙，又要防止压力过大产生煤体压裂，形成新的裂缝，破坏煤体刚性和稳定性。 考虑到二1 煤层煤体强度和沿空煤柱及围岩裂隙发育情况，根据以往经验，确定注浆压力为1～2 MPa。

4）注浆孔设计与施工：注浆钻孔采用“X”形布置，上部孔距顶1 m，下部孔距底1 m，中部孔位于巷道正中，距上部孔和下部孔间隔均为1 m。 上部孔以仰角15°施工， 中部孔和下部孔以平孔施工。注浆孔由切眼向外依次施工并注浆。 注浆孔设计，见图4。

图4 注浆孔设计

5）注浆设备：本次采用的注浆设备包括1 台型号为2ZBQ50／19 的双液注浆泵和2 个型号为QB260 的搅拌桶，2 个成浆桶，以及混合器和注浆管路等。

6）注浆工艺：本次利用管体焊有铁丝（内外两侧均有）的封孔管和射浆管注浆，封孔长度1 m，在封孔管两端铁丝上缠绕封堵棉纱并预留封孔通道进行封孔，封孔凝固后进行注浆。 注浆应注至钻孔停止吃浆为止。

4 注浆加固情况回采验证

护巷煤柱注浆加固完成后，在回采过程中定期对沿空巷道两帮变形量进行观测，量取两帮距离巷道正中线的距离， 并绘制该巷道两帮变形曲线，见图5。

图5 1107 上巷两帮变形曲线

由曲线图5 可知，巷道实体煤一侧受采动影响较大，最大变形量约1 m；未采取措施情况下工作面煤柱侧巷帮最大变形量约0.8 m，与之相对应的在注浆加固之后，煤柱帮的变形量大大减少，最大变形量不足0.1 m。 通过对护巷煤柱的注浆加固，加强了煤柱的刚性和稳定性，在受到采动动压影响的情况下基本保持了支护不发生变形，保证了工作面安全高效生产。

5 结语

1）沿空掘巷巷道护巷煤柱在巷道掘进期间受应力作用较小，可保持稳定。 但回采期间由于应力急剧变化导致巷道围岩及护巷煤柱发生塑性失稳而产生大范围塑性区，煤体结构受到破坏，巷道变形严重，需对护巷煤柱进行注浆加固，以提高煤柱刚性，增加煤柱承载能力。

2）通过对80 m沿空巷道煤柱进行注浆加固试验，根据巷道变形监测结果：回采过程中未注浆加固前巷道实体煤侧煤壁位移约0.8 m，注浆加固后煤壁位移不足0.1 m。 表明煤柱注浆加固可以保证巷道相对稳定，变形量减少，避免不必要的修巷工作。

3）实践证明该工程试验成果具有较高的经济效益、安全效益及可推广应用价值。 可以在相似地质条件的工作面和矿井进行推广，促进矿井安全高效生产。