辛安煤矿1402 工作面临空窄煤柱采掘响应及动态加固

汪北方，梁 冰，刘 维，张 晶，迟海波，刘亚辉

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221008；3.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；4.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；5.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000；6.辽宁工程技术大学理学学院，辽宁 阜新 123000)

山西省朔州市山阴县辛安煤矿是由魏家沟煤矿、下漫沟煤矿、青杨岭煤矿和原辛安煤矿兼并重组的煤炭资源整合矿井，原有矿井均采用刀柱法开采，无成型通风系统，巷道错综复杂，采空区较多且地质资料不详，给新井的安全高效生产造成极大威胁。尤其当新井工作面与老窑采空区临近时，临空窄煤柱受采掘扰动极易失稳破坏；窄煤柱一旦被采动裂隙贯通，将导致采空区有毒有害气体或积水大量涌出。因此，复采工作面临空窄煤柱稳定性控制已成为煤炭资源整合矿井亟待解决的关键科学问题之一。

国内外专家学者针对煤柱稳定性方面已开展大量研究，并取得了丰硕成果。张炜等[1]和荆升国等[2]总结了孤岛综放工作面窄煤柱沿空掘巷围岩变形因素，讨论了孤岛工作面窄煤柱沿空巷道顶板结构特征；陈新忠等[3]和王猛等[4]归纳了深部倾斜煤层沿空掘巷围岩变形特点，建立了深部倾斜煤层沿空掘巷煤柱顶板结构力学模型；魏臻等[5]和王德超等[6]分析了综放沿空掘巷围岩变形破坏诱因，揭示了大断面综放沿空煤柱顶板破坏机制。在动压巷道窄煤柱失稳机理研究的基础上，国内外专家学者针对不同地质开采条件，提出了有效控制技术方案。王卫军等[7-8]认为加强实体煤帮底角和窄煤柱支护是沿空巷道底鼓控制的关键；马振乾等[9]提出了利用大直径短锚索替代帮部锚杆、设置帮角加强锚杆及破碎煤体锚注加固等综合控制技术；李学华等[10]通过计算窄煤柱合理宽度有效降低围岩应力；马元等[11]设计出卸压与整体支护的技术方案；张农等[12]采用组合预拉力支护措施较好地控制窄煤柱沿空巷道围岩变形。综上所述，关于临空窄煤柱采掘扰动响应特征还有待深入研究，其动态加固技术仍需进一步完善。因此，笔者针对辛安煤矿1402 工作面回采期间安全推过辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱工程实际问题，分析工作面临空窄煤柱稳定性受采掘扰动响应特征，提出窄煤柱动态注浆加固技术方案，开展现场应用并进行效果检验。

1 工程背景

辛安煤矿1402 工作面位于矿井南盘区运输大巷南部，倾向长度200 m，推进距离1 470 m，主采4 号煤层，平均厚度7.4 m，倾角5°，煤质松软，构造简单。工作面辅运巷道与原下漫沟煤矿老空区相邻(图1)，巷道掘进期间所施工的超前探水钻孔资料表明，老空区内基本无积水，巷道断面宽4.6 m，高3.35 m。由于原下漫沟煤矿为不规则刀柱开采，辅运巷道临空保护煤柱正常宽度50 m，但5 号钻场附近煤柱宽度仅为25 m，沿巷道长度20 m。利用束管监测系统分析数据5 号钻场邻近老空区CO 体积分数9.5×10–4%，CO2体积分数8.5%，CH4体积分数1%，O2体积分数6.5%，表明老空区内已经发火，形成窒息带。1402 工作面采掘期间，动压扰动极易破坏5 号钻场临空窄煤柱。鉴于矿井采用负压通风，一旦煤柱采动裂隙贯通临近老空区，CO、CO2和CH4气体涌出，将严重制约工作面安全回采。因此，亟需研发一套复采工作面临空窄煤柱有效封堵加固技术，改善煤柱稳定性，防止有毒有害气体涌入。

图1 辛安煤矿1402 工作面位置Fig.1 Location of working face 1402 of Xin’an coal mine

2 1402 工作面临空窄煤柱采掘扰动响应特征

2.1 数值模拟分析

2.1.1 模型建立

结合工作面钻孔柱状图及开采条件，利用FLAC3D[13-14]建立煤(岩)层水平分布的三维数值模型，模型尺寸366 m×180 m×80 m，共划分300 120 个单元，315 126 个节点，如图2a 所示。模型四周边界采用铰支，底部边界采用固支，顶部为自由边界，施加6.9 MPa 均布载荷。此区域构造应力不明显，水平应力也设为6.9 MPa。模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，各煤(岩)层物理力学参数均按换算后的实验测定数据进行赋值，如表1 所示。

模型处于直角坐标系内，左下脚点为坐标原点，X轴方向为煤层倾向，水平向右为正，Y轴方向为煤层走向，水平向里为正。为了便于建模，适当简化模型；设计模型四周边界煤柱宽30 m，下漫沟老空区走向长150 m，倾向长50 m，1402 工作面辅运巷道与下漫沟老空区相邻，向Y轴正方向掘进，煤柱正常宽48 m，5 号钻场煤柱宽24 m，长20 m，如图2b 所示；1402 工作面走向长150 m，倾向长200 m，由开切眼向Y轴负方向回采，开采步距3 m，1402 工作面两侧各布置一条5 m 宽回采巷道，如图2c 所示。

2.1.2 结果分析

a.回采巷道掘进期间

模型初始应力平衡后，再模拟1402 工作面回采巷道掘进和工作面回采，着重分析辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱在工作面采掘扰动作用下的变形及破坏特征。

从图3 可以看出，1402 工作面辅运巷道掘进至5 号钻场，巷道顶底板及两帮围岩垂直应力增加，其中两帮围岩垂直应力为8 MPa；受临空支承压力及辅运巷道掘进影响，5 号钻场窄煤柱老空区侧和辅运巷道侧均产生应力集中现象，且在煤柱中部相互叠加，呈非对称马鞍形分布，靠近老空区侧煤柱垂直应力集中尤为突出，最大应力达到15.8 MPa，超过煤体强度，将发生局部压缩破坏。辅运巷道侧煤柱垂直应力集中较为缓和，煤体并未发生明显破坏，说明1402 工作面辅运巷道掘进对5 号钻场临空窄煤柱稳定性的影响较小。

图2 三维数值模型Fig.2 Three dimensional numerical model

表1 煤/岩物理力学参数Table 1 Rock and coal physical and mechanical parameter

从图4 可以看出，1402 工作面辅运巷道掘进至5 号钻场期间，窄煤柱内部老空区侧塑性区分布范围较大，且未受掘进工作面推移影响，宽度始终维持7.5 m，而巷道侧塑性区分布范围则随掘进工作面推近逐渐增大，最大宽度2 m。表明5 号钻场窄煤柱巷道侧塑性破坏是由巷道掘进扰动造成的，老空区侧塑性破坏是因老窑采空引起的，再次证明1402 工作面辅运巷道掘进对5 号钻场临空窄煤柱稳定性的影响不大。

图3 辛安煤矿1402 工作面辅运巷道掘进至5 号钻场临空窄煤柱时围岩垂直应力分布云图Fig.3 Surrounding rock vertical stress distribution contour of narrow coal pillar next to goaf when air return roadway of working face 1402 was driven to arriving No.5 drilling field of Xin’an coal mine

图4 辛安煤矿1402 工作面辅运巷道掘进期间5 号钻场临空窄煤柱围岩塑性区范围Fig.4 Surrounding rock plasticity range of narrow coal pillar next to goaf near No.5 drilling field during excavarion of the air return roadway of working face 1402 of Xin’an coal mine

b.工作面回采期间

从图5 可以看出，1402 工作面回采过程中，随着工作面不断向辅运巷道5 号钻场推移，临空窄煤柱集中垂直应力分布状态发生动态变化。当工作面距5 号钻场36～18 m 时，临空窄煤柱集中垂直应力变化不明显，均为12 MPa，工作面推进至距5 号钻场18～6 m 时，临空窄煤柱集中垂直应力变化显著，最大垂直应力达到17.5 MPa，其中距5 号钻场18 m处为临空窄煤柱垂直应力分布的转折点，工作面超前支承压力开始对5 号钻场临空窄煤柱集中垂直应力产生叠加作用。同时，工作面持续向前推进，5 号钻场临空窄煤柱集中垂直应力由非对称马鞍形分布逐渐演变成拱形分布，距5 号钻场6 m 时，临空窄煤柱所承受叠加垂直应力达到峰值，且已超过煤体强度，煤柱极易破坏失稳。

从图6 可以看出，1402 工作面辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱塑性区分布范围也随工作面推近发生动态改变，且破坏程度愈加明显。当工作面推进至距5 号钻场临空窄煤柱18 m 位置时，窄煤柱塑性区分布范围急剧增大，直至距5 号钻场临空窄煤柱6 m 位置处，窄煤柱塑性区贯穿，分布范围达到25 m，煤柱完整性遭到严重破坏，承载能力显著降低。

2.2 理论分析

2.2.1 回采巷道掘进期间

1402 工作面辅运巷道掘进至5 号钻场，临空窄煤柱老空区围岩支承应力与辅运巷道围岩支承压力相互叠加，呈近似非对称马鞍形分布，煤柱偏向老空区侧的集中应力显著，应力峰值达到K1γH，K1为应力集中系数，γ为覆岩容重，kN/m3；H为埋藏深度，m。破裂区和塑性区范围较大；煤柱辅运巷道侧应力集中不明显，对应应力集中系数为K2，破裂区和塑性区范围也十分有限。因此，可判定辅运巷道掘进对煤柱应力分布基本无影响，如图7 所示。

2.2.2 工作面回采期间

1402 工作面推近辅运巷道5 号钻场，在工作面超前支承压力作用下窄煤柱巷道侧应力集中现象加剧，与老空区侧集中应力叠加近似梯形分布。同时，煤柱巷道侧破裂区和塑性区范围显著扩大，弹性区范围明显缩小，如图8a 所示。1402 工作面推过辅运巷道5 号钻场，窄煤柱两侧均已采空，工作面采空区侧向支承压力在煤柱上进一步叠加(应力集中系数为K3)，集中应力由梯形分布逐渐演变为拱形分布，应力峰值和集中系数均达到最大，煤柱塑性区贯通，弹性区消失，极易诱发煤柱失稳，如图8b 所示。

3 1402 工作面临空窄煤柱动态注浆加固技术

3.1 加固原理

图5 辛安煤矿1402 工作面回采期间5 号钻场临空窄煤柱围岩垂直应力分布云图Fig.5 Surrounding rock vertical stress distribution contour of narrow coal pillar next to goaf near No.5 drilling field during mining of working face 1402 of Xin’an coal mine

煤柱注浆加固技术是利用注浆泵或其他手段将液体加固材料注入破碎煤体裂隙，改善煤柱物理力学性能的方法和过程[15-16]。基于前文研究，1402 工作面辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱裂隙伴随工作面推进具有动态发育特点，而煤柱裂隙发育程度不同，浆液流动渗透性具有显著差异，煤柱裂隙越发育，浆液流动渗透性越好。根据煤体单轴加载变形规律[17]，煤体在峰值强度破坏前的弹性变形阶段产生大量压裂空隙，且自身较稳定。若选取此阶段进行注浆加固，既能满足浆液流动渗透性，同时又可以保证煤柱固化效果。因此，在工作面超前支承压力范围内，承载集中应力煤柱处于弹性变形阶段，煤体较为破碎、裂隙完全张开时，注入液体加固材料，充填错综复杂裂隙，煤体孔隙率降低，裂隙煤体由二向应力状态转化成三向受力，强度和弹性模量增加；裂隙端部应力集中效应在浆液粘结固化作用下被大幅削弱；固化煤体形成网络骨架结构，能够适应较大变形，承载能力显著增强。另外，煤柱注浆固化还可以防止水体流入软化煤体，降低煤柱稳定性。同时，注浆固化通过提高煤体强度，减小破碎区范围，降低支护载荷，提高煤柱稳定性[18-20]，有效抑制临近老空区有毒有害气体涌出，保障工作面安全回采。但是由于超前支承压力随工作面推进持续前移，为了契合煤柱裂隙时空发育特性，注浆加固过程也要适应工作面超前支承压力的变迁而动态移动。

图6 1402 工作面回采期间5 号钻场临空窄煤柱围岩塑性区范围Fig.6 Surrounding rock plasticity range of narrow coal pillar next to goaf near No.5 drilling field during mining of working face 1402

图7 1402 工作面辅运巷道掘至5 号钻场临空窄煤柱时围岩应力分布模型Fig.7 Surrounding rock stress distribution model of narrow coal pillar next to goaf when air return roadway of working face 1402 was driven to No.5 drilling field

图8 1402 工作面推至5 号钻场临空窄煤柱时围岩应力分布模型Fig.8 Surrounding rock stress distribution model of narrow coal pillar next to goaf when working face 1402 arrived at No.5 drilling field

3.2 窄煤柱动态注浆加固技术应用

为保障1402 工作面回采期间安全通过辅运巷道5 号钻场窄煤柱区域，提出动态注浆加固技术并开展现场应用，有效封堵临空窄煤柱采动裂隙，固化煤体，防止临空有毒有害气体涌出。

3.2.1 注浆材料及设备

a.注浆材料

MP364 型注浆材料是一种双组分(组分A 和组分B)、不含溶剂的注浆硅酸盐树脂，黏度低，流动性好，可注性强，能够很好地注入细小裂隙；可任意调节凝胶时间，并能准确控制；对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性；反应温度较低，一般在80～110℃；结石率高，结石体强度和抗渗性较高，不龟裂，耐老化，并具有一定韧性；注浆无污染，符合环保要求。

b.注浆设备

选用一套专用的注浆设备，能够准确控制MP364 型注浆材料反应比例，其主要由注浆泵、注射混合枪和封孔器3 部分组成，如图9 所示。

图9 注浆设备示意图Fig.9 Grouting equipment

注浆泵采用ZBQS-8.4/12.5 气动注浆泵，结构紧凑，体积小巧，移动便利，气动马达带动活塞泵压送浆液，确保定比例的高压输送浆液，且两种浆液压送比例为1∶1。注射混合枪采用双液注射混合枪，具有安全、快捷和精准的特点，浆液经高压软管被送至注射枪内自动配比，充分混合、相互窜浆，有效防止浆液在注射管内凝固。封孔器膨胀对注浆钻孔孔口围岩施加一定压力，不但可以封堵钻孔、防止返料，还能有效控制混合浆液在破碎煤体区域的不均匀、无规律、非定向扩散，大幅提高注浆加固效果。

3.2.2 注浆钻孔布置方案

结合前文数值模拟结果，1402 工作面回采至距5 号钻场临空窄煤柱18 m 时，临空窄煤柱开始承载工作面超前支承压力，直至相距6 m 时达到峰值。根据煤(岩)单轴加载条件下的应力–应变曲线特性，可判定工作面距5 号钻场临空窄煤柱10 m 左右位置，在工作面超前支承压力下，临空窄煤柱处于弹性变形阶段，裂隙发育且强度良好。因此，选定1402工作面回采至距辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱15 m位置时，即从窄煤柱后方5 m 处开始注浆封堵加固，且注浆过程随工作面推进同步前移，直至窄煤柱前方5 m 处停止。考虑煤岩交界面弱化效应及注浆加固厚度要求，结合浆液材料在采动煤体中的流动渗透半径为2.5 m，设计注浆钻孔布置方案：临空窄煤柱垂面上每竖排布置3 个注浆钻孔，第1 个注浆钻孔布置在巷道顶板下方0.5 m 处，仰角50°，孔深8 m，钻孔底部已进入顶板岩层；第2 个注浆钻孔位于第1 个注浆钻孔下方1.5 m 处，仰角30°，孔深6 m，保证煤柱水平加固厚度达到5 m 以上；第3 个注浆钻孔高于巷道底板0.85 m 处，仰角10°，孔深5.3 m，加固范围足以扩展至底板岩层。沿辅运巷道轴向方向，注浆钻孔竖排间距5 m，共布置7 竖排注浆钻孔，如图10 所示。

图10 注浆钻孔及观测孔布置Fig.10 Grouting and checking bore holes arrangement

3.2.3 注浆加固流程

当1402 工作面推进至距辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱后方第一排钻孔10 m 处开始注浆，煤柱注浆加固工艺流程为：打注浆钻孔—下管封孔—接枪连泵—通双液浆—开泵注浆—浆液外渗—冲洗机具—停泵拆卸。双组分浆液在注浆泵加压作用下通过注射混合枪混合后进入封孔器，以28∶1(活塞压力与风压之比)的压力将封孔器胀开(直径达65 mm)，再由注射管输送至煤体裂隙。从图11 可以看出，1402工作面辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱动态注浆加固过程中，浆液顺着煤体裂隙和锚杆(索)孔大量渗出，说明此处煤体裂隙发育、较为破碎，锚杆(索)着力基础薄弱，锚固效果较差，而流动渗入裂缝和锚杆(索)孔内的浆液可极大程度地改善煤体破裂状况，尤其是锚杆(索)内的浆液与锚杆(索)、锚固剂和围岩粘结在一起形成锚固整体，促使锚杆(索)更好地发挥全长锚固作用，达到有效约束围岩变形破坏，提高煤柱稳定性的效果。

图11 注浆加固现场浆液渗出照片Fig.11 Grouting reinforcement site

3.2.4 注浆加固效果

为检验1402 工作面辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱裂隙注浆充填质量，5 号钻场窄煤柱动态注浆加固过程中，在每个注浆钻孔相邻两竖排注浆钻孔的中间位置，平行布设观测钻孔，如图10b 所示。

利用矿用深孔窥视仪观测注浆前后煤体破碎程度。注浆加固前煤体裂隙发育、较为破碎，如图12a所示。注浆加固后煤体发育裂隙被浆液材料充分填实，完整性较好，表明5 号钻场临空窄煤柱注浆加固效果良好，如图12b 所示。同时，为进一步检验1402 工作面辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱注浆加固效果，加固期间指派专人实时监测临空窄煤柱附近CO、CO2、CH4气体变化情况，每隔3 h 取样、分析1 次，周期为72 h，气体含量变化见图13。

图12 注浆前后煤体状况Fig.12 Coal status before and after grouting

从图13 可以看出，在1402 工作面推过辅运巷道5 号钻场临空窄煤柱的3 d 时间内，CO、CO2、CH4气体含量虽均有不同程度的波动变化，但全程均满足《煤矿安全规程》[21]的规定要求。其中，CO最大体积分数为1.6×10–5%，小于《煤矿安全规程》规定的2.4×10–5%；CO2最大体积分数0.15%，远小于《煤矿安全规程》规定的0.5%，CH4最大体积分数0.08%，对《煤矿安全规程》规定的1%而言，基本可以忽略，再次表明5 号钻场临空窄煤柱良好的注浆加固效果，有效地控制了临空有毒有害气体涌出，保障了1402 工作面安全回采。

图13 5 号钻场窄煤柱附近气体监测曲线Fig.13 Gas monitoring curve around narrow coal pillar next to goaf near No.5 drilling field

4 结论

a.辛安煤矿1402 工作面辅运巷道掘进至5 号钻场，临空窄煤柱集中垂直应力呈非对称马鞍形分布，靠近老空区侧垂直应力集中突出，最大应力15.8 MPa，塑性区范围7.5 m；辅运巷道侧垂直应力集中缓和，最大应力10 MPa，塑性区范围2 m，窄煤柱稳定性较好；总体来说，巷道掘进对临空窄煤柱的稳定性影响较小。

b.研究区1402 工作面回采至辅运巷道5 号钻场，临空窄煤柱集中垂直应力由非对称马鞍形分布逐渐演变成拱形分布，尤其距5 号钻场6 m 时，煤柱所承载叠加垂直应力达到峰值，已超过煤体强度，塑性区完全贯穿，承载能力显著降低，极易破坏失稳。

c.选用MP364 型注浆材料及配套专用注浆设备，1402 工作面回采至距辅运巷道5 号钻场15 m位置时，从临空窄煤柱后方5 m 处开始动态注浆，直至临空窄煤柱前方5 m 处停止，取得了良好的封堵加固效果，确保了工作面安全回采。