沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究_王亮.pdf

312023 年第 5 期王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究收稿日期 2022-10-30作者简介 王亮（1985），男，山西长治人，2010 年毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，本科，工程师，现从事煤矿（井工矿）安全生产管理工作，研究方向：坚硬顶板综合机械化采煤。沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究王 亮（山西潞安化工集团潞宁煤业，山西 忻州 036700）摘 要 以潞宁煤业 22116 工作面为对象，通过现场考察、理论计算、数值模拟法优化沿空掘巷小煤柱留设尺寸为 8 m，针对小煤柱出现塑性破坏问题采取注浆加固措施。监测表明：22116 回风巷两帮、顶底板最大移近量分别为152 mm、138 mm，无明显底鼓现象发生，巷道整体变形量小，注浆加固效果理想，多采原煤4.8万 t，创收 4800 万元。关键词 沿空掘巷；煤柱；注浆；加固中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.010Research on Optimization and Grouting Reinforcement Technology for Retaining Coal Pillars of Driving the Roadway Along the GoafWang Liang(Shanxi Luan Chemical Group Luning Coal Industry,Shanxi Xinzhou 036700)Abstract:Taking the 22116 working face of Luning Coal Industry as the object,through on-site investigation,theoretical calculation,and numerical simulation methods,the reserved size of the small coal pillar of driving the roadway along the goaf is optimized to be 8 m.Grouting reinforcement measures are taken to address the plastic failure problem of the small coal pillar.The monitoring shows that the maximum displacement amount of the two sides,roof and floor of the 22116 return air roadway is 152 mm and 138 mm respectively,with no obvious heaving floor phenomenon.The overall deformation amount of the roadway is small,and the grouting reinforcement effect is ideal.48000 tons of raw coal are mined,generating a revenue of 48 million yuan.Key words:driving the roadway along the goaf;coal pillar;grouting;reinforcement王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究1 工程概况潞宁煤业 22116 工作面位于二采区西侧，主要开采 2#煤层，煤层均厚 3.5 m，平均倾角 4，平均埋深 498 m。2#煤上方主要为粉砂岩、中粒砂岩，下方主要为泥岩和细砂岩。如图 1。22116 工作面南侧为 22118 采空区，北侧为22114 采空区。22116 回风巷为半煤岩巷道，巷宽 5.3 m，巷高 3.6 m。22116 回风巷采用锚杆索联合支护，锚杆长度 1800 mm，顶板布置 6 根锚杆，间排距700 mm900 mm，两帮各布置 4 根锚杆，间排距900 mm900 mm；顶板布置 3 根 21.8 mm8300 mm 高强度低松弛预应力钢绞线锚索，托盘规格为15 mm300 mm300 mm。在尽量不对原支护参数进行调整下实施对合理煤柱留设宽度的优化1-3。图 1 22116 工作面综合地质柱状图2 煤柱宽度合理优化设计研究2.1 合理煤柱宽度的理论计算当前 22116 工作面已完成回采，回采空间周围应力重新分布，如图 2。自采空区边缘向工作面靠322023 年第 5 期近应力呈逐渐上升趋势，经过小煤柱及沿空掘巷后到达峰值，接着表现为逐渐降低趋势，直至接近原岩应力状态。图 2 侧向应力分布示意图由图 2 可知，为保证巷道不受高侧向应力的影响，沿空掘巷应该在应力较低区域进行，减小巷道围岩的变形量，应该降低区段煤柱的损失、合理煤柱宽度。根据巷道两帮煤体应力和极限平衡理论可计算最小合理煤柱宽度 B：B=x1+x2+x3 （1）式中：B 为煤柱宽度；x1为采空区侧煤柱塑性区宽度，经计算 x1取 3.73 m；x2为锚杆锚入煤柱有效长度，取 2.2 m；x3为煤柱安全系数，按（0.100.30）（x1+x2）计算，取 0.5931.779 m。经计算，最小合理煤柱宽度 B 处于 6.5237.709 m 之间，基于 22116 工作面的工程实际条件，得出沿空掘巷留小煤柱宽度选定为 7 m 左右。2.2 煤柱宽度的数值模拟试验2.2.1 数值模型建立采用 FLAC3D数值模拟软件进一步确定 22116工作面沿空巷道小煤柱最小合理宽度。基于 22118和 22116 工作面地质条件，建立数值计算模型尺寸为宽 长 高=1 m300 m86 m。模拟煤柱设置宽度 6 m、7 m、8 m、10 m、20 m，研究巷道围岩变形量及煤柱内塑性破坏特征。2.2.2 数值模拟结果与分析巷道围岩变形量及煤柱内塑形破坏特征模拟结果如图 3。（a）6 m 煤柱 （b）7 m 煤柱（c）8 m 煤柱 （d）10 m 煤柱 （e）20 m 煤柱注：左侧为 22118 胶带巷，右侧为 22116 回风巷图 3 掘巷期间不同宽度煤柱内塑性区分布图从图 3 模拟结果数据可知，22116 回风巷掘进后，设定小煤柱宽度为 6 m 时，整个煤柱区域都处在塑性区内，不存在稳定核区；设定小煤柱宽度增加到 7 m，塑性发育区域减弱，有小部分稳定核区，但大部分仍处于塑性状态；设定小煤柱宽度增加至8 m 时，存在一定宽度弹性核区域；设定小煤柱宽度增加到 10 m、20 m，存在大范围的弹性核区域，受高侧向应力作用，回风巷底鼓较严重。根据数值模拟结果，结合考虑回收率的问题，沿空掘巷小煤柱最小合理宽度选择 8 m 较为恰当。3 小煤柱的注浆加固及现场实测理论分析和数值模拟结合方法确定 22116 工作面沿空掘巷小煤柱合理宽度尺寸为 8 m，此时可提高煤炭回采率，但此时该煤柱会出现塑性破坏，必须采取相应的注浆加固措施。3.1 小煤柱的注浆加固工艺技术在对 22116 工作面回风巷注浆之前，必须先对内外帮进行喷浆。对 22116 回风巷距开切眼 50 m以外的巷道进行喷浆，外帮喷浆约 650 m，内帮喷浆 200 m，喷浆厚度 100 mm，高度 3.2 m。喷浆所用材料为水泥（425号硅酸盐水泥）、河砂（粒径0.51 mm），砂浆配比为水泥:河砂=1:2。22116 回风巷内外帮喷浆完后，对回风巷外帮进行注浆，具体注浆工艺如下。3.1.1 打注浆孔22116 回风巷外帮喷浆稳定后，用 7655 型风钻打孔。注浆孔深 2.5 m，孔径 42 mm，间距 1.6 m，排距 1.6 m，每排 2 个交错布置。22116 回风巷外帮注浆断面及注浆孔布置情况如图 4。（a）回风巷外帮注浆断面（b）注浆孔布置情况图4 22116回风巷外帮注浆断面及注浆孔布置情况（mm）3.1.2 封孔1）封孔设备。采用 52 mm1500 mm 布袋注浆封孔。布袋由 1.5 m 长、0.2 m 宽白布纵向缝合，332023 年第 5 期王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究王 亮：沿空掘巷留设煤柱的优化及注浆加固技术研究用 1.5 m 长、20 mm 钢管为煤体注浆管，用 500 mm 长、10 mm 塑料管作为布袋注浆管。布袋套在钢管上，塑料管插入布袋内，两端扎紧捆绑在钢管上。2）封孔方法。把布袋伸入注浆孔内，塑料管接上快速接头与高压胶管连接，把注浆泵调至最低挡，开启注浆泵。当布袋注满浆液时迅速停泵，把塑料管绑紧。3.1.3 注浆液的组成使用高水速凝注浆材料，甲料为硫铝酸盐水泥熟料、缓凝剂和悬浮剂等，乙料为石膏、石灰、速凝剂、悬浮剂等。浆液水灰比为 1.5:1。3.1.4 注浆深度从维护巷道的稳定性角度讲，注浆深度越大产生的效果越好，但注浆深度要受其他因素的制约。考虑小煤柱的 8 m 宽度、围岩破碎圈厚度以及注浆工具的参数，确定注浆深度为 2.5 m。3.1.5 扩散半径的确定注浆材料、围岩裂隙的特性以及注浆压力会对注浆的扩散半径产生影响。通过对实测数据的分析，确定扩散半径为 1.01.5 m，采用间隔交替的注浆方式。合理的注浆压力能够使注浆液体充分地充满围岩裂隙，但裂隙又不会因压力过大而扩大。注浆压力应该控制在 1 MPa 以下，巷帮有异常现象时，立即停泵并关闭阀门。3.1.6 确定注浆量根据上面确定的参数，通过下式可以计算出需要的注浆量：Q=R2Ln/M （2）式中：为裂隙充填系数；为注浆材料损失系数；L 为注浆深度；M 为结石率；R 为注浆材料扩散半径；n 为岩石裂隙率。按照式（1）可以计算出加固 22116 工作面风巷小煤柱所需的注浆量约为 60 kg/m。这个计算结果是采用单个注浆孔注浆时所需要的注浆量，采用多孔注浆时，考虑到扩散半径的叠加，注浆量应该适当减少。具体的实际应用中，此数值只能作为参考，必须根据注浆效果，适时增加或减少注浆量，在保证注浆效果的同时减少注浆材料的浪费。3.1.7 合理的选择注浆时间及工序合理的注浆时间对注浆效果的充分发挥有着重要的影响。将 22116 工作面回风巷小煤柱注浆与沿空巷道的掘进同时进行，注浆滞后掘进头 100 m，并采用分段注浆法，分段长度 30 m，每段分两次注浆，先注单号孔，然后再注双号孔。3.2 效果分析 为验证优化后的小煤柱合理尺寸和注浆加固后的效果，在 22116 工作面回风巷布置测站，对靠近采空区侧的应力分布以及巷道变形等情况进行监测。3.2.1 应力分布从监测数据可知：对靠近采空区侧巷帮进行注浆加固，在掘巷期间，巷帮垂直应力升高，表明经过注浆加固后，其承载能力得到提高。同时，在靠近巷道侧，煤柱的垂直应力提高比较明显，尤其是在煤柱的边缘，这说明在煤柱边缘的承载能力得到极大的增加。而远离工作面巷道侧，煤柱内的垂直应力逐渐降低，在远离注浆范围以外的区域，煤柱的承载能力有所下降，在靠近采空区侧的区域，煤柱的垂直应力又急剧下降，承载能力减弱。同样，在掘巷期间巷道塑性区分布较只使用锚杆加固范围要小，说明在注浆加固作用下，巷道的稳定性得到进一步提高。在掘巷期间，巷道的变形主要为弹性变形。3.2.2 巷道变形特征分析掘进期间 22116 回风巷两帮移近量曲线和顶底板移近量曲线如图 5。两帮、顶底板相对移近速度最大分别为 28 mm/d、20 mm/d，变形速率随时间增加而不断减小，最后趋于稳定；两帮、顶底板相对最大移近量分别为 152 mm、138 mm；巷道整体变形量较小，无明显底鼓现象发生，注浆加固效果理想，有效控制了掘巷期间围岩变形量。（a）围岩变形速率（b）围岩变形量图 5 22116 回风巷围岩变形曲线（下转第 36 页）362023 年第 5 期4 结语通过采用现场考察、理论计算、数值模拟综合方法对 22116 工作面沿空掘巷小煤柱的留设尺寸进行优化，确定煤柱最小合理尺寸为 8 m，针对性地对巷道采取注浆加固措施。监测结果表明：巷道整体变形量较小，无明显底鼓现象发生，注浆加固效果理想，能够保证沿空掘巷小煤柱稳定。对比留设20 m 的大煤柱方式，可以多采出原煤 4.8 万 t，创（上接第 33 页）当增加注浆压力。根据钻孔的深度，在确保不漏浆前提下适当增大材料的水灰比，水灰比控制在1.5:14.0:1。2）注浆顺序按注浆钻孔布置先后顺序施工，原则上采取打一个注浆孔注一个孔的方式，一方面已经注浆的钻孔可以对周边破碎区域加固，有利于下一个钻孔的成孔，另一方面可以避免钻孔间距较小发生浆液串孔的问题。3）注浆停止标准下压至不吸浆液或注不进浆液，注浆量越大越好，但在实际施工中难以做到。一般注浆结束的主要依据是达到设计压力和最终吸浆量。在正常情况下，每次注浆时，注浆压力由小逐渐增大，注浆量则由大到小；注浆后期，钻孔最终单位吸浆量应小于最小单位吸浆量。当注浆压力达到设计终压时，单孔吸浆量小于 3060 L/min，稳定 2030 min 即可结束注浆。3 冒落空巷注浆加固法应用效果评价3.1 冒落区注浆量在 5107 进风巷对残采冒落区注浆时，采用注浆与打钻套孔循环交替实施，即注浆过程中成一孔，即封孔注浆。单孔最大注浆量达 36.1 t，最小注浆量在 2.5 t，设计钻孔共计注浆 266.4 t。6 个检验钻孔的钻进整体上比较顺利，在打钻过程中卡钻、掉钻、塌孔等异常现象较首轮钻进时明显减少。冒落的煤岩体得到有效的加固，冒落空巷间煤柱区域松散破碎的煤体没有充分加固，利用检验钻孔对残采区域进一步补注浆。验证钻孔共注浆 27.2 t，多数验证钻孔注浆量在 3 t 左右。在工作面回采过程中根据空巷的揭露情况和空巷间煤柱的破碎情况，在检修班对揭露空巷注浆效果不理想的区域和空巷间压酥破碎的煤柱进行浅孔补注浆加固，破碎煤体中每个注浆孔的注浆量在0.51 t，新揭露空巷每个注浆孔注浆量在 23 t。回采过程中分 15 次对冒落空巷间的煤柱及新揭露的冒落区进行注浆，注浆量达 90 t。3.2 冒落区注浆效果5107 工作面冒落区注浆完毕后，选择注浆薄弱地方进行钻孔窥视。从注浆前、后钻孔窥视结果可知：注浆前煤体内部煤岩体破碎，钻孔变形严重，孔口、甚至孔内都出现严重塌孔现象，明显观察到散状分布的煤岩块体；注浆后，钻孔成孔明显变好，钻孔孔壁完整，明显观察到浆液完全填满煤岩体之间的裂隙，或者浆液完全填满空洞区域，将破碎煤岩体粘结到一起，煤岩体内部结构完整、紧密，注浆加固效果良好。5107 工作面自 2021 年 12 月开始回采上分层，从回采揭露的残采区域注浆和回采情况来看，整体注浆加固效果较好。浆体将大部分空洞、裂隙填满，较好地将破碎煤岩块体粘接在一起，提高了煤岩体整体性，截割过程中煤壁平直。4 结语庞庞塔煤矿 5107 工作面巷道过顶部空巷冒顶事故频发，在对冒落空巷治理方法分析基础上，提出了注浆液加固冒落空巷两帮破碎煤体的方案，对方案中空巷注浆加固系统、注浆钻孔的布置方案及参数、冒落区分次成孔工艺和注浆施工工艺进行了分析阐述。【参考文献】1 胡方芳.掘进巷道过冒落空巷综合治理技术研究J.山东煤炭科技，2022，40（09）：44-47.收 4800 万元，经济效益显著。【参考文献】1 郭重托，李杰，柏建彪，等.特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱合理宽度研究 J.煤炭工程，2022，54（02）：19-24.2 宋慧杰.厚煤层孤岛综放面沿空掘巷煤柱优化及加固技术研究 J.煤，2022，31（02）：62-65.3 于忠久，郭高峰.三元煤业小煤柱开采技术的研究和实践 J.山东煤炭科技，2013（03）：19+21.