黄玉川矿区段煤柱宽度优化及注浆封孔研究

李 勇

(国能亿利能源有限责任公司 黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

在煤炭开采过程中，通常在工作面与巷道之间留设一定宽度的煤柱，不仅用于保证工作面相邻巷道的稳定性，还有利于保证地面设施不受工作面开采的影响[1]。假若煤柱留设较宽，则会造成煤炭资源的浪费，若煤柱过窄，则无法保证巷道日常生产的需求。因此，对于煤柱留设宽度问题值得去深入探讨。郭强[2]、冯廷灿[3]、丛利[4]、李成海[5]等研究表明在工作面回采过程中，动压使得煤柱内应力集中，并提出对顶板进行“钻-切-压”可降低煤柱应力；朱翔斌[6]、宋志强[7]、陈川[8]、宁静[9]、王琦[10]等通过数值模拟与现场监测的方法，对煤柱宽度进行优化，对煤柱优化后的巷道围岩控制提出了加强对策；当地质构造较为复杂时，煤柱内裂隙较为发育，王春森[11]、赵毅鑫[12]、郭金帅[13]等对裂隙发育进行了研究，将煤柱内的裂隙划分为裂隙扩大、裂隙最大、裂隙减小和裂隙稳定四个区域；周文武[14]、张江利[15]、李鑫磊[16]、赵宝峰[17]、刘少伟[18]等针对裂隙较为发育的岩层提出了注浆加固技术，并对注浆材料、注浆压力、注浆孔的布置进行了设计研究。

以上学者对煤柱优化以及巷道围岩控制进行了深入探讨，并且对松软破碎围岩提出了注浆加固技术，却未侧重于注浆封孔技术。因此，以黄玉川矿12402工作面为研究背景，根据煤层在回采过程中侧向支承压力对相邻巷道的稳定性影响较弱，可知目前留设的煤柱宽度足以满足矿井日常生产的需求，且部分巷道帮部煤体破碎，在进行注浆时封孔较为困难。特此对12402工作面区段煤柱宽度尺寸进行优化，并对注浆封孔进行深入研究。

1 12402工作面概况

黄玉川矿12402工作面位于4#煤层一水平二盘区，地面标高+1130～+1270m，工作面标高+993～+1008m，埋深137～262m，平均厚度为4.35m，煤层倾角0～7°，为稳定可采煤层，直接顶为细砂岩，厚10.3m，老顶为粗砂岩，厚9.2m，直接底为砂质泥岩，厚6.5m。

12402工作面辅运巷道在掘进时兼作主、辅运输和回风，竣工后主要用于形成12402综采工作面辅助运输需要，当12402工作面回采完毕后，作为12403工作面回风巷道形成新的回风系统。辅运巷道与工作面空间位置关系如图1所示。

由图1可知，12402工作面辅运巷道与胶运巷道之间需要留设区段煤柱，根据其他采区经验拟留设煤柱宽度20m。

图1 辅运巷道与工作面空间位置关系

合理的煤柱宽度是减少煤炭资源浪费的有效方法之一，为能够准确了解12402工作面辅运巷道顶板上覆岩层的力学性质，同时为煤柱合理尺寸的分析与数值模拟提供数据支撑。因此，选取12402工作面辅运巷道80m处进行的煤样选取与顶板岩芯钻取工作。选取的煤样和岩样将按照《煤与岩石物理力学性质测定方法》规程分别进行单轴、三轴和巴西劈裂力学试验，试验结果见表1。

表1 试件单、三轴、巴西劈裂试验结果

2 煤柱宽度优化理论计算

为能够初步确定区段煤柱的合理宽度，需明确区段煤柱内的应力分布和变形破坏特征。假定12402工作面已回采完毕，此时区段煤柱的一侧为12402辅运巷道，另一侧为12402采空区，数倍原岩应力的载荷将施加于煤柱，煤柱的支承压力分布如图2所示。

图2 煤柱支承压力分布

随着采空区顶板下沉与巷道的掘进，导致煤柱在采空区和巷道的两侧在支承压力的作用下发生裂隙扩展，煤柱内应力逐步向中部偏移，当煤柱宽度较宽时，应力呈“双峰”型分布于整个煤柱中，按照煤柱所受的支承压力数值大小，将煤柱划分为三段区域：破裂区、塑性区和弹性区[19]。

2.1 煤柱中部弹性区宽度计算

为保证煤柱在整个巷道掘进与采煤期间的稳定性，需在煤柱中部保留一定宽度的弹性区域，由于煤柱所形成的支承压力与影响范围在采空区侧要明显大于巷道一侧，故弹性区按式(1)分为两部分进行计算：

Lt=L1+L2

(1)

其中，采空区侧和巷道侧弹性区宽度L1、L2分别为[20]：

Li=

式(2)中，侧压系数η为：

η=μ/(1-μ)

(3)

这里α和k因子为：

式中，i取1、2；μ为泊松比，取0.202；γ为覆岩平均容重，取25kN/m3；hms为埋深，取262m(极端情况下)；h1、h2分别为煤层厚度与巷道高度，分别取4.35m、3.7m；k1、k2分别为采空区侧与巷道侧应力集中系数，分别取3.0、2.5；c为煤体内聚力，取2.93MPa；φ为煤层内摩擦角，取39.6°；η为侧压系数。

根据实测煤体泊松比μ为0.202，计算η为0.253，则原岩应力γhms为6.55MPa，代入以上参数，求得采空区侧L1和巷道侧L2弹性区宽度分别为2.68m、1.65m，则12402工作面区段煤柱弹性区宽度Lt至少为4.33m。

2.2 极限平衡区宽度计算

由于煤柱两侧存在采空区和巷道，会在煤柱内形成不同范围的极限平衡区域，因此，在煤柱靠近采空区与巷道两侧的极限平衡区宽度Lj表示为：

Lj=L3+L4

(6)

其中，采空区侧和巷道侧形成的极限平衡区宽度L3、L4的计算公式为[21]：

式中，p为煤柱两侧所受的支护阻力，取0。

代入上述数值，求得采空区侧L3和巷道侧L4的极限平衡区宽度分别为1.25m、0.98m，则煤柱内极限平衡区宽度Lj合计为2.23m。若煤柱宽度为2.23m，则煤柱两侧的应力峰值将重合，中部无弹性区，此时煤柱的稳定性较差，难以保证矿井安全生产的正常需求。

2.3 合理区段煤柱宽度确定

合理的区段煤柱应当考虑在工作面回采与巷道掘进期间维持一定的稳定性，因此，区段煤柱宽度应当保留一定的弹性区，最终的合理区段煤柱宽度将通过式(8)求得：

L=ktLt+Lj

(8)

式中，kj为弹性区留设系数，取3.5。

最终通过计算求得区段煤柱的合理宽度L至少为17.45m。

3 合理煤柱宽度确定数值分析

3.1 模型建立

在理论计算结果的基础上，使用FLAC软件模拟分析不同宽度煤柱内应力分布及塑性区发育情况，能够进一步确定黄玉川煤矿4#煤层区段煤柱的合理留设宽度。因此，根据矿井地质和巷道现有的支护条件，建立几何分析模型，模型计算范围为379.5m×100m×110.79m，其中4#煤层顶板上覆岩层厚度为76.47m，底板以下厚度为29.97m。煤柱左侧为12402工作面，右侧为12402辅运巷道，煤柱宽度共设计15m、18m和20m三种方案，分析不同宽度下煤柱的应力分布、塑性区破坏范围及现有支护条件下巷道能否维持一定的稳定性。

为保证计算结果的精确性，严格按照巷道掘进80m—锚杆(索)支护—工作面开采60m的顺序进行开挖与支护，在模型除顶面外设置固定边界条件，顶面设置除模型高度外所缺的应力边界条件4.625MPa，各岩层物理力学参数通过力学试验获得，具体参数见表1。

3.2 数值计算结果分析

巷道掘进100m后，选取工作面前方10m处不同宽度煤柱的应力，不同宽度煤柱应力分布如图3所示。

图3 不同宽度煤柱应力分布

由图3可知，18m、20m煤柱的应力分布呈现出“双峰”型特征。当煤柱宽度为18m时，应力峰值分别位于煤柱采空区侧4m处和巷道侧3m处，其值分别为21.55MPa、19.04MPa；当煤柱宽度为20m时，应力峰值均位于煤柱两侧3m处，其值分别为21MPa、17.36MPa。在弹性区域内，18m煤柱与20m煤柱的应力最小值分别为16.33MPa、15.09MPa，分别距采空区10m、12m。而15m煤柱中应力分布为“单峰”型，最大值为26.85MPa，距采空区7m，表明煤柱两侧的应力峰值相互重叠，煤柱中部无弹性区，因此，15m煤柱的稳定性较差。

煤柱由20m优化为18m后，应力增加不超过10%。其中巷道侧应力峰值变化最大，与20m煤柱相比增加了9.68%。由此可见，18m煤柱与20m煤柱相比煤柱内应力增加较小，优化后的煤柱稳住性降低较小，对巷道的保护性降低也较小。

当巷道掘进100m时，3种不同宽度煤柱在工作面前方10m处塑性区破坏发育如图4所示。

图4 塑性区破坏发育

由图4分析可知，当煤柱宽度为15m时，塑性区破坏范围贯穿整个煤柱，中部无弹性区，此时煤柱的稳定性较差，对巷道的保护性最差，巷道支护困难，难以支撑矿井正常生产的需要；当煤柱宽度为18m时，采空区侧塑性破坏范围较大，约为4m，巷道侧为3m，其中弹性区宽度为11m，与15m煤柱相比，稳定性较好，对巷道的保护性也较好；煤柱宽度为20m时，塑性区破坏范围减小，中部弹性区宽度增加至15m，此时煤柱的稳定性最好，但留20m煤柱会造成煤炭资源的浪费，而留设18m煤柱在一定程度上既能保证巷道的安全，又能降低煤炭的损失。综上所述，煤柱宽度为15m时，煤柱稳定性差，无弹性区，所受应力较大，对巷道的保护性最差；而当煤柱留设为20m时，中部弹性区范围较大，稳定性最好，煤炭资源也最为浪费。因此，煤柱留设宽度为18m，既能保证巷道的安全性，又能降低煤炭资源的浪费。

4 注浆封孔装置设计

在断层等复杂地质处，存在松软破碎煤岩体，对巷道支护造成巨大的困难。因此，在传统注浆封孔装置的基础上，研发了一种新型巷道围岩注浆封孔装置，称为“增阻式注浆封孔装置”，如图5所示。

图5 新型“增阻式注浆封孔装置”

装置包括增阻套件、封堵部位、注浆钢管。快速注浆部分为中空钢管，内径12mm，外径20mm，与增阻套件通过螺纹连接；增阻套件由增阻盘，增阻固定器组成，达到增加扭矩的目的；封堵部位由橡胶套和垫圈组成，橡胶套与垫圈内径、中空钢管一致；端头设置止浆阀防止浆液回流。通过增阻套件旋转推动钢管压缩封堵部位的橡胶套膨胀，以达到封孔目的，并通过中空钢管进行注浆，对松软破碎煤岩体进行加固。

加工几个样品之后，在12402辅运巷道煤柱帮进行封孔注浆测试，然后对测试孔进行窥视：在松软破碎煤岩体进行打孔时，孔壁破碎、裂隙发育导致打孔过程困难且部分位置塌孔。进行封孔注浆后，煤柱帮钻孔孔壁完整性大大提高，并在孔壁发现有灰白色浆液填充物。说明此次使用新型“增阻式注浆封孔装置”对松软破碎煤体进行封孔注浆具有一定的加固效果，提高了围岩的稳定性，降低了孔隙率，表明使用“新型封孔注浆装置”注浆效果好，切实可行。

5 12402辅运巷道监测

根据理论计算结果与数值模拟分析，最终确定12402工作面区段煤柱留设的合理宽度为18m，并在现场运用“十字布点法”观测巷道表面位移，为证实留设18m煤柱能否保证矿井正常生产的需求。12402辅运巷道顶底板及两帮变化曲线如图6所示。

图6 12402辅运巷道顶底板及两帮变化曲线

在煤柱宽度优化为18m并加强支护后，随着巷道每日16m的速度掘进，测点将越来越远，随着天数的增加，巷道变形逐步趋于稳定。在为期90d的监测中，顶底板及两帮单日移近量最大分别为19mm、24mm，当监测至第31d后巷道将变得稳定。通过对监测数据的分析，顶底板及两帮单日变化率最大为52.94%和59.09%，出现在监测第3d和第5d，表明巷道在刚开始的掘进中，对顶底板及两帮的影响较大，随着距离的增加，巷道顶底板及两帮逐渐稳定于338mm和273mm。

通过对12402辅运巷道为期90d的现场监测，得知12402辅运巷道在区段煤柱为18m的情况下，围岩变化情况基本上处于可控范围内，并且表现出巷道的稳定性较好，进一步证实留设宽度为18m的区段煤柱是较为安全合理的。

6 结 论

1)考虑到区段煤柱在采空区侧和巷道一侧所形成的支承压力不同，通过理论计算求得12402辅运巷道两侧极限平衡区宽度为2.23m，中部弹性区宽度为4.35m，则合理的区段煤柱理论宽度应在17.44m左右。

2)在工作面前方10m处，15m煤柱应力呈现出单峰型特征。18m煤柱与20m煤柱应力相比增加不超过10%。15m煤柱稳定性较差，而20m煤柱中部弹性区宽度较大，造成煤炭资源浪费。最终确定合理煤柱宽度为18m。

3)研发出一种“新型注浆封孔装置”，封孔注浆效果较好，孔壁完整，围岩裂隙率降低，证明“新型注浆封孔装置”切实可行。并根据现场监测得到的巷道支护效果，证实了留设18m区段煤柱是可行的。