大采高破碎围岩窄煤柱加固技术

张明建

(河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿，河南省新乡市，453633)

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大采高破碎围岩窄煤柱加固技术

张明建

(河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿，河南省新乡市，453633)

为解决赵固二矿11030大采高工作面沿空巷道窄煤柱破坏严重、隔离采空区有害气体能力低的问题，提出采用注浆并配合全长锚固锚索对煤柱进行超前加固。结果表明，注浆加固后煤样的抗压强度达到原始强度的79.8%，窄煤柱内部距离巷道表面3～5 m范围内裂隙很少，窄煤柱内部形成了最小宽度为1 m的弹性区，煤柱帮最大移近量为310 mm，工作面上隅角瓦斯浓度恢复到正常生产水平。该技术可为类似条件下的巷道支护提供借鉴。

沿空巷道 窄煤柱 注浆加固 全长锚固锚索 煤柱超前加固

沿空掘巷可以提高资源回收率，由于其处于特殊的应力环境，因此一直受到广大专家、学者的关注，并进行了大量研究，丰富了有关窄煤柱的研究成果。但是前人的研究多集中于护巷煤柱宽度、沿空巷道掘进稳定之前，对于受采动影响窄煤柱的加固方面的研究较少，本文针对赵固二矿11030大采高工作面运输巷窄煤柱变形严重的问题，提出了有针对性的注浆加固技术，并采用多种方法对应用效果进行了分析和验证。

1 工程概况

赵固二矿位于焦作煤田东部、太行山南麓，矿井选用立井单水平盘区开拓，主采二1煤层，厚度4.73～6.77 m，平均6.32 m，煤尘不易自燃，无爆炸性，煤样坚固性系数为3.36。11030大采高工作面绝对瓦斯涌出量为4.53 m3/min，煤层平均倾角5°，倾斜长度180 m，平均走向长度2131.5 m，采用走向长壁大采高一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板，沿煤层顶板回采，采高为4.5～6.0 m，一个循环推进800 mm。煤层伪顶主要为泥岩，平均厚度0.52 m，一般随采随冒，直接顶以砂质泥岩为主，厚度6.01 m，基本顶多为大占砂岩，厚度5.76 m，直接底为砂质泥岩，厚度5.71 m。煤层顶底板岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩性

图1 巷道支护参数

11030大采高工作面运输巷沿二1煤层顶板掘进，紧邻已经回采结束的11011工作面，与11011工作面采空区之间留设宽度为8 m的窄煤柱。11030大采高工作面运输巷断面为矩形，掘进尺寸为4800 mm×3300mm(宽×高)，采用锚网索+液压单体支柱联合支护，巷道支护参数见图1。

(1)顶板支护。顶板锚杆规格为ø20 mm×2400 mm，间排距800 mm×900 mm，将规格为10 mm×150 mm×150 mm托盘与长度为4160 mm的钢筋梯配合使用，采用规格为CK2360和Z2360型锚固剂各一卷进行锚固，锚杆锚固力不低于70kN，锚杆螺帽扭矩不小于150 N·m。锚索规格为ø21.6 mm×8250 mm，间排距为1300 mm×900 mm，采用CK2360和Z2360型锚固剂各两卷进行锚固，将长度为4200 mm的16#槽钢梁与12 mm×120 mm×120mm、12 mm×80 mm×80 mm钢板及50 mm×120 mm×120 mm木垫板配合使用(大钢板紧贴槽钢梁，小钢板紧贴锁具，木垫板位于两钢板中间，起到让压作用)，锚索锚固力不低于200 kN，预紧力不低于100 kN。金属网片使用ø6 mm钢筋焊接，网片尺寸1000 mm×1900 mm，网片搭接宽度100 mm，每格用14#铅丝将四角绑扎。

(2)窄煤柱帮侧和煤壁帮侧的支护参数相同。锚杆规格为ø20 mm×2400 mm，间排距900 mm×900 mm，采用CK2360和Z2360型锚固剂各一卷进行锚固，采用W型钢带、10 mm×150 mm×150 mm托盘配合使用。锚杆锚固力不低于70 kN，锚杆螺帽扭矩不小于150 N·m。金属网片使用ø6 mm钢筋焊接，网片尺寸1000 mm×1900 mm，网片搭接宽度100 mm，每格用14#铅丝将对角绑扎。

(3)单体液压支柱沿着11030大采高工作面运输巷走向安设，支柱间距为1 m，距离窄煤柱帮为 1850 mm，顶部的活柱伸出长度不低于200 mm。

2 窄煤柱沿空巷道围岩变形特征

在工作面回采期间，11030大采高工作面运输巷持续变形，主要表现为：

(1)巷道顶板浅部围岩多呈破碎状态，并且下沉严重，最大下沉量约为650 mm，局部锚杆、锚索被拉断，多处单体液压支柱活柱长度小于200 mm。

(2)两帮收敛量大，尤其是煤柱帮，最大移近量可达1.2 m。煤柱帮浅部煤体破碎、膨胀，造成网片开裂。

(3)底板鼓起表现出不对称性，多见煤壁侧底鼓量大于煤柱侧，导致轨道倾斜、单体液压支柱底梁侧翻，不得不进行多次卧底、返修。

(4)超前支护段(长度为40 m)巷道变形剧烈。为保证回采期间巷道断面面积符合规定，需在煤壁侧扩帮2.5 m、卧底1.5 m，并沿巷道走向安设4～5排单体液压支柱。

(5)在11030大采高工作面正常回采期间，经常导致上隅角瓦斯浓度超标，严重影响工作面的正常生产，而与其相邻的、采用分层开采的11011工作面回采期间的瓦斯浓度仅为0.01%～0.15%。分析后认为处于塑性状态的煤柱隔离采空区气体能力降低，导致采空区的瓦斯等有害气体通过裂隙渗透到11030工作面运输巷内，并随新鲜风流进入11030工作面。

3 窄煤柱注浆加固方案

为解决赵固二矿11030大采高工作面窄煤柱变形严重、隔离采空区能力差的问题，确保11030大采高工作面回采期间的生产、运输安全，需封闭裂隙并胶结破碎煤岩，对窄煤柱进行提前加固。提出在工作面前方先对窄煤柱进行注浆，然后采用锚索全长锚固的方式对煤柱进行超前加固，从而提高窄煤柱的稳定性和承载能力。

经过对比，注浆材料选用PN-1型波雷因。该注浆材料是一种有机高分子浆液注浆材料，具有非常快的胶凝速度，凝固后抗压强度为60 MPa、粘结强度为3 MPa。经过一系列复杂的化学反应后，能够将松散的煤岩体重新胶结成整体，增大煤岩体内部各煤岩块间发生相对位移的阻力，形成新的承载结构，从而改变煤岩体的力学性能。

窄煤柱帮侧注浆加固技术的具体实施方案见图2。

图2 窄煤柱帮侧支护参数

(1)在窄煤柱帮布置深度为6 m、间排距为2 m×2 m、直径为28 mm的钻孔，然后采用河北同成科技股份有限公司研制的ZBQ-5/12型风动化学注浆泵，通过专用注浆管将PN-1 型波雷因注浆加固材料压注到窄煤柱帮的钻孔内，以充填较大的裂隙并压缩一些充填不到的封闭裂隙和微小裂隙，至使其闭合。

(2)在对窄煤柱进行整体注浆加固之后，在窄煤柱帮布置直径为42 mm的钻孔，钻孔间排距为2 m×2 m，深度为5 m，然后将规格为ø21.6 mm×5250 mm的锚索(规格与顶板支护锚索相同)放入钻孔内，外露250 mm，最后向钻孔内压注PN-1 型波雷因注浆加固材料，直至注满。

(3)待加固材料凝固后，安装规格为400 mm×400 mm×12 mm的托盘、锁具并张拉锚索。锚索锚固力不低于200 kN，预紧力不低于100 kN。

上述方案在11030大采高工作面运输巷超前工作面100 ～150 m进行工业性试验。

4 窄煤柱注浆加固效果检验

对11030大采高工作面运输巷超前工作面100～150 m处的窄煤柱采用上述方案进行加固后，采用数值模拟、岩石力学试验、围岩钻孔窥视和窄煤柱变形观测的方法对注浆加固效果进行检验。

4.1 数值模拟

根据11030工作面运输巷的工程地质条件，岩石物理力学参数见表2，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值计算模型，11011工作面和11030大采高工作面运输巷依次开挖后进行注浆加固，对煤柱进行注浆加固后，煤柱内形成了最小宽度为1 m的弹性区，并且弹性区到巷道的最大距离为4 m，这表明煤柱的承载能力得到明显提高。

4.2 岩石力学试验

对试验段巷道煤柱帮进行注浆加固后，在煤柱帮的上部和下部各取一组煤样，立即用塑料薄膜包裹并用胶带密封，由专人搬运上井，在煤样搬运过程中做到轻拿轻放，尽量保持煤样原有的结构状态。将煤样加工成直径50 mm、高100 mm的圆柱体标准试样，采用RMT-150B电液伺服控制岩石力学试验系统测试煤样的抗压强度。试验结果显示，注浆后的煤样平均抗压强度达到26.75 MPa，坚固性系数为2.68，达到原始煤样坚固性系数的79.8%。

表2 岩石物理力学参数

4.3 钻孔窥视

采用矿用多功能钻孔窥视仪探测试验段巷道窄煤柱超前注浆加固前后窄煤柱内部的裂隙分布情况。观测钻孔位于窄煤柱帮中部，并垂直于煤柱帮，观测钻孔深度为6 m。

在对窄煤柱进行注浆加固前，抽出窄煤柱内的钻杆后，多次出现塌孔现象，并且观测发现窄煤柱内裂隙较多，局部呈破碎状态。对窄煤柱进行注浆加固后，通过窥视钻孔发现窄煤柱内部3～5 m的范围内较为完整，钻孔周围裂隙很少，没有发现破碎的现象。同时表明长度为5.25 m的锚索锚固长度为5 m、外露长度250 mm是合理的。

4.4 窄煤柱变形观测

对试验段窄煤柱进行注浆并配合全长锚固锚索进行超前加固后，每隔10 m布置一个观测站，对窄煤柱表面位移进行持续观测。在观测期间，试验段巷道窄煤柱帮最大移近量为310 mm，没有出现网片开裂现象。另外，在工作面回采期间，上隅角瓦斯浓度恢复到正常回采要求，符合11030大采高工作面回采期间的瓦斯涌出规律，有效地抑制了采空区瓦斯向11030大采高工作面的渗透。

5 结论

(1)对受采动影响的沿空巷道围岩窄煤柱进行注浆并配合全长锚固锚索进行超前加固能够改善煤体的力学特性，提高煤柱的承载能力，减少煤柱的变形。

(2)注浆加固后的煤柱内部3～5 m范围内裂隙很少，并且能够有效隔离采空区的瓦斯等有害气体，并且长度为5.25 m的锚索锚固长度取5 m是合理的。

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(责任编辑 张毅玲)

Reinforcement technology of fractured surrounding rock of narrowcoal pillar with large mining height

Zhang Mingjian

(Zhaogu No.2 Coal Mine of Jiaozuo Coal Industry Co., Ltd., Henan Energy & Chemical Industry Group Co., Ltd., Xinxiang, Henan 453633, China)

In order to solve the problem of serious failure of narrow coal pillar and low capability of isolating the harmful gas from goaf in the gob-side entry of 11030 working face with large height in Zhaogu No.2 Coal Mine, combined method of grouting and full length anchoring cables was put forward for advance strengthening the pillar. The results showed that compressive strength of coal sample after grouting reinforcement was 79.8% of the original strength, and there was few fracture in a distance of 3～5 m from rib, and an elastic area was formed inside the coal pillar that the width of the area was over 1 m, and the maximum displacement between coal pillars was 310 mm, and gas concentration of upper corner returned to normal level. So this technology could provide a reference for roadway support with similar conditions.

gob-side entry, narrow coal pillar, grouting reinforcement, full length anchoring cable, advance reinforcement of coal pillar

TD353

A

张明建(1983-)，男，河南商丘人，工学硕士，工程师，主要从事煤矿安全生产管理方面的工作。