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厚煤层综放开采煤柱失稳破坏的支护控制措施

2021-05-13 84 上传者：管理员

摘要：对煤柱失稳破坏进行有效控制是保证工作面安全高效生产的重要保障。本文以王庄煤矿52M2工作面为例，基于对注浆加固控制技术原理的阐述，对注浆时机、注浆浆液配比、注浆孔布置方式、注浆压力、注浆加固与煤柱稳定性控制等影响注浆效果的因素进行了分析，并对52M2工作面运巷煤柱失稳破坏的注浆加固控制效果进行了模拟对比分析。结果显示：注浆加固后煤柱体的位移量相比原有支护方式降低了41.02%,煤柱体显示出了较好的稳定性。本研究结果也可为其他厚煤层综放开采煤柱失稳破坏的支护控制提供参考方法。

关键词：
厚煤层
失稳破坏
注浆加固
煤柱
综放开采
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在厚煤层综放开采中留设的煤柱是否稳定，受综放开采影响的失稳破坏煤柱如何进行稳定性支护控制，是保证工作面生产安全的重要工作。从巷道支护的角度来讲，注浆加固是与锚杆支护有效结合、相互作用的过程，当煤柱体或巷道在应力作用下发生破裂，岩层整体结构力学变得越发松散、硬度降低，将不利于体现锚杆的支护作用，甚至可能会引起锚杆支护效果丢失，而注浆加固正好弥补了这一缺陷，即从提升煤体自身硬度和紧实度的基础上，改善锚杆支护效果，是一种基于煤柱体支护原理构建的围岩控制方法[1]。为了加强对煤柱体稳定性控制，提高煤炭资源的回收率，本文以52M2工作面为例，对注浆加固技术工艺等进行说明，并对煤柱体加固控制效果进行模拟分析。

1、研究区概况

52M2工作面位于王庄煤矿52采区，主采3号煤层，煤层均厚5.8m,工作面整体向斜构造，煤层倾角-2～15°,煤层顶底板岩性分别为：①老顶为粉砂岩泥岩，均厚10.07m;②直接顶为泥岩，均厚2.94m;③直接底为粗粒砂岩，均厚1.88m;④老底为粉砂质泥岩，均厚4.21m。52M2工作面北部为5205工作面采空区，南部为52/3号工作面采空区，工作面巷道布置，见图1。

52M2运巷长度为730m,沿底板掘进，采用全锚支护，断面为5.0m×3.2m的矩形，运巷侧的煤柱留设宽度为8m,风巷侧煤柱宽度呈梯形布置，宽度范围6.0～37m,巷道支护方式均采用全锚网支护，在巷道掘进过程中，巷道整体发生的移动变形和破坏较小，巷道稳固性较好。而在综放开采应力作用条件下，运巷侧的煤柱体可能会发生失稳破坏，将使工作面安全高效开采受到严重威胁。

2、注浆加固控制技术

注浆技术是一种能够对煤柱体内部结构、煤柱和煤层整体结构受到应力作用，发生应变和破坏起到有效控制的技术方法，它是一种基于煤柱体支护原理构建的围岩控制方法，通过向应力作用下发生裂隙、破碎的煤柱体中注入浆体，从而整体改变煤柱体的内部结构，使其原有应力强度较低的物理力学特性得到加强；或者对受到应力作用发生破坏的煤体结构进行有效控制和应力作用增强，通过注浆方法对应力作用下破坏了的煤柱体进行原有应力强度的修复和增强。它的工作原理主要表现为：①有效改善和提升煤柱体原有的力学特征，提高相应的应力作用支撑强度；②可以紧实空隙，遏制受到应力作用发生破坏的煤柱体遭受进一步的损坏；③提升了破裂煤柱体的紧密性，重新加强了巷道支护锚杆的支护强度，进一步提升煤柱体的稳固性。

为了使注浆后能够得到预想和设计的加固效果，注浆体在注入煤柱体或围岩破裂带时，要保持一定的速度，要求其必须达到一定的注入深度和区域，能够在注浆后使煤柱体起到预想的支护效果和结构强度：

1) 注浆时机的选择

为了起到有效的注浆效果，应当综合考虑浆体自身特性以及煤体破裂区的发育时间和过程，在不同时间，选择不同流速的浆体，以及能够达到不同的渗透效果。所以注浆时机应当选择在应力作用强度峰值过后的某个时间段和某个区域位置，该阶段的注浆效果最好。注浆时机的选择条件如下：破裂带发育，且在应力作用下煤体内部结构和帮体仍具有一定的稳定性。

2) 注浆完成浆液固化后的强度

浆液的材料构成和比例组成，应当能够体现出很好的韧性、渗透性及粘结性能，能够与煤体进行有效的粘结，浆液固结后能够与煤体形成完整的支护体系，固结煤体的整体强度就高。本次工作面注浆，选择的是20MPa超细硫铝酸盐水泥基注浆材料。

3) 注浆孔布置方式

注浆孔的布置没有严格布置方式，而是基于应力作用下煤体发生的裂隙范围和区域等进行注浆孔设计。但注浆孔一般按照上、下布置，且每层孔的具有一定的方位和倾角，仰角为0°,钻孔孔深与煤柱宽度B一致，相邻钻孔间距为2L,如图2(a)所示；上排钻孔施工水平角为0°,仰角为a,钻孔孔深为B,相邻钻孔间距为2L,如图2(b)所示。

4) 注浆压力

压力的大小决定了注浆体是否能够按照预期效果注入到破裂带中，以及是否会影响到破裂带的整体发育。所以，注浆压力的选择，应当充分考虑破裂带的发育情况、煤层地质构成等因素。根据研究区地质资料和煤层特性，选择压力值为2～5MPa,压力大小不是定值，而是随着工程实际要求进行改动。

5) 注浆加固与窄煤柱稳定性控制

现有研究中，对综放回采窄煤柱稳定性方面的研究，大都忽略了综采工作面端头位置，即忽略了端头位置由于受到综放开采产生的应力变化发生的围岩垮落，对相邻工作面窄煤柱造成的影响。虽然现有研究中有对端头围岩注浆的实例探讨，但其中对垮落形态以及注浆的相应参数等描述、说明不足，导致这些实践案例丧失了应具有的指导意义。而在综放开采实践中，在覆岩未达到充分稳定条件下，窄煤柱的力学环境更为复杂，在科学合理的加强支护条件的同时，应进行相应的注浆加固，防止煤柱因区域性的稳定性丧失而导致整体失稳，从而起到阻止煤柱变形、增强煤柱承载和封堵漏风的控制作用。

堵漏风。在受到综放开采影响下，过窄煤柱或者破坏较为严重的煤柱，在煤柱体内形成的裂隙处于贯通状态，形成了一个漏风通道，而对煤柱进行注浆充填，可以有效地将漏风通道进行封堵，即使裂缝发育，在注浆充填后也很难形成较为顺通的漏风通道，在很大程度上可以降低煤层自然起火的危险。为了达到有效的封堵效果，充填体的高度应与煤柱的高度一致，注浆的范围可以根据钻探的结果进行适当的调整，如果根据钻探结果发现煤柱内裂隙发育或漏风通道较为发达，应适当加大注浆范围并及时缩短注浆浆体的凝结时间。

阻变形。在受到综放开采影响，窄煤柱不仅会发生较大的变形，在扰动影响下，还容易造成近采空区侧煤柱支护锚杆的部分实效，从而造成窄煤柱支护效果的降低，如果顶板垮落煤岩体整体刚度不够，不能够为煤柱提供一定的约束力，也会造成煤柱失稳。注浆充填增强煤柱内岩体的刚度，在一定程度上可以提升煤柱的约束力，防止煤柱受动压影响而变形过大。

能承载。同样，综放开采促使煤柱体的被动受力提升，在矿压影响下其很难保持自身的稳定性。注浆充填后，可使煤柱体的残余承载力得到增强，提高煤柱体的稳定性。同时，煤柱承载能力的增强也能为沿空巷道提供良好的应力环境，对煤柱及沿空巷道稳定性控制均具有重要意义。

3、注浆加固支护下煤柱变形破坏特征

注浆加固方案选用20MPa超细硫铝酸盐水泥基注浆材料，此材料由两部分组合而成，有利于控制浆液凝结速度，使浆液在管中24h甚至更长时间内不凝结并可泵。而该种材料凝结固化时具有微膨胀性，当试件受力超过其最大强度，其承载能力会缓慢降低，直到残余强度为2MPa时取消加载，此时已破裂的试件经过适当养护便可重新愈合，固结后的煤体强度也会有所恢复。因此，对于有较大变形的煤柱，可选择使用超细硫铝酸盐水泥基注浆材料。本文基于数值模拟软件对注浆加固支护下的煤柱变形破坏特征进行数值模拟分析。

1) 煤体中裂隙经过固结后的注浆材料的充填，煤体强度增高，且塑性增强脆性减弱，煤体受力状态变化可表明注浆加固的作用。注浆加固前后，煤柱的垂直应力峰值分别为41.67MPa和58.73MPa,煤柱的应力峰值提高了40.94%,表明超细硫铝酸盐水泥基注浆材料显著提高了煤柱所能承受的峰值应力，见图3。

2) 在超细硫铝酸盐水泥基材料注浆加固下，煤柱帮的水平位移，见图4,注浆加固后，煤柱产生的最大位移量为299mm,相比没有采用注浆技术之前的最大位移量降低了41.02%,且煤柱仍然处于稳定状态，可以说明，在采用注浆加固方案中，可以适当缩小煤柱的留设宽度。

4、结语

通过数值模拟分析可以看出，对煤柱体进行注浆加固明显提高了煤柱体整体结构的稳定性，发生破坏后的煤体结构得到了有效控制和应力作用增强。但为了在综放开采过程中维护巷道的稳定，应当加强煤柱体变形破坏的控制实测，并且根据注浆加固基本原理对注浆加固时机、浆体结构、注浆方法等进行合理选择，提高注浆加固的效果。

参考文献：

[1]王宏.破碎围岩体分层注浆加固机理探析[J].能源技术与管理,2021,46(1):62-64.

王泽明,李恩来.浅谈综放开采煤柱失稳破坏的注浆加固控制技术[J].煤,2021,30(05):106-108.