《KSCE Journal of Civil Engineering》：Characteristics of Coal and Rock Mass in Weathered and Oxidized Zone of Fully Mechanized Caving Face and Gro1uting Reinforcement Technology
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受风化与氧化影响的煤层在开采过程中易发生顶板垮落和煤壁片帮等灾害，严重威胁受采矿活动扰动的煤矿安全生产。研究人员揭示了强风化氧化带煤岩体物理力学特性的变化规律，分析了其变形与破坏机制，并识别了工作面顶板断裂和直接冒顶风险的原因。研究人员提出了四种注浆加固方案，
受风化与氧化影响的煤层在开采过程中易发生顶板垮落和煤壁片帮等灾害，严重威胁受采矿活动扰动的煤矿安全生产。研究人员揭示了强风化氧化带煤岩体物理力学特性的变化规律，分析了其变形与破坏机制，并识别了工作面顶板断裂和直接冒顶风险的原因。研究人员提出了四种注浆加固方案，包括中深孔超前预注浆和“深孔-中深孔”耦合注浆。通过COMSOL与3DEC的耦合模拟，对各方案的加固效果进行了对比验证。结果表明，采用三花布置的“深孔-中深孔”耦合注浆方案加固工作面，可将最大顶板下沉量降至1.34m，应力释放区高度降至43.4m。因此，该方案能有效抑制顶板下沉和煤壁片帮，减小应力集中，确保工作面安全高效开采。这可为风化氧化带类似地质条件下的采煤与支护提供可靠的工程参考。
**论文解读文章**
**研究背景与现存问题**
在煤矿开采中，浅埋煤层受复杂地层与不均匀应力影响，易导致工作面失稳，引发顶板垮落、地表沉陷等灾害，威胁人员安全、破坏生态并阻碍资源可持续发展。风化氧化带（Weathered and Oxidized Zone）煤岩体因长期受风化与氧化作用，物理力学性质劣化显著，裂隙发育（强风化带裂隙密度达3.5~5.2条/m，开度2~8 mm，连通性75%~88%），强度降低（强风化带强度降低65%~78%），渗透性增强（渗透系数0.35~0.86 m/d）。这些特性导致综放工作面在开采过程中易出现顶板断裂、煤壁片帮、直接冒顶等问题，严重威胁安全生产。现有注浆加固技术虽能改善岩体性能，但在风化氧化带中，浆液扩散受非均质性和各向异性制约，配比优化依赖大量试验，限制了其应用效果。因此，针对风化氧化带综放工作面，亟需开展系统性研究，提出有效的注浆加固方案，确保安全高效开采。
**研究目的与意义**
本研究以水泉煤矿49104综放工作面风化氧化带为工程背景，旨在揭示强风化氧化带煤岩体物理力学特性变化规律，分析其变形破坏机制，提出并优化注浆加固方案，通过数值模拟验证其有效性，最终形成一套适用于风化氧化带综放工作面的注浆加固技术体系。研究成果发表于《KSCE Journal of Civil Engineering》，为类似地质条件下的采煤与支护提供可靠工程参考。
**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：（1）实验室物理力学试验：对取自水泉煤矿49104工作面回风巷588~731 m段和运输巷534~600 m段的风化氧化带钻孔岩芯，进行无侧限抗压强度试验、巴西劈裂试验（抗拉强度）和变角剪切试验（抗剪强度），获取煤岩体密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度、孔隙率等参数。（2）数值模拟：利用COMSOL Multiphysics的固体力学模块与达西定律模块耦合模拟浆液扩散，基于Magg公式计算扩散半径（强风化带2.0 m，中等风化带1.5 m）；将COMSOL获得的浆液分布导入3DEC（离散元软件）构建弹塑性平面应变模型（200 m×160 m×80 m），采用摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则，模拟不同注浆方案下围岩应力与变形演化。（3）对比分析：设计并比较四种注浆孔布置方案（中深孔单排、中深孔三花、深孔-中深孔单排、深孔-中深孔三花），以浆液扩散范围、顶板下沉量、应力释放区高度等指标评价加固效果。
**研究结果**
**2. 工程地质特性与物理力学性质**
（1）风化等级划分：强风化带强度降低65%~78%，孔隙率增加2~3倍，黏土矿物>45%；中等风化带强度降低35%~50%，黏土矿物25%~40%，原岩结构基本保留。
（2）裂隙发育特征：强风化带裂隙密度3.5~5.2条/m，开度2~8 mm，连通性75%~88%（复杂三维网络）；中等风化带密度1.2~2.8条/m，开度0.5~3 mm，连通性40%~60%（离散裂隙）。
（3）水文地质条件：强风化带渗透系数0.35~0.86 m/d，单位涌水量0.02~0.08 L/(s·m)；中等风化带渗透系数0.08~0.25 m/d，单位涌水量0.005~0.03 L/(s·m)。地下水补给来源于降水，流速缓慢。
（4）物理力学试验：通过对9个无侧限压缩试件、15个劈裂试件、30个变角剪切试件测试，获得关键力学参数，如中粒砂岩密度2630 kg/m
3，弹性模量2.30 GPa，泊松比2.20，内摩擦角30.0°，黏聚力8.31 MPa，抗拉强度6.80 MPa，孔隙率13%；煤岩密度1350 kg/m
3，弹性模量1.50 GPa，泊松比1.30，内摩擦角21.8°，黏聚力2.32 MPa，抗拉强度1.12 MPa，孔隙率17%。
**3. 超前预注浆加固技术**
基于渗透注浆、帷幕搭接、关键层、三维注浆帷幕理论，设计了四种布置方案：（1）中深孔单排布置：适用于中等风化带，扩散范围约82.5 m×18.4 m；（2）中深孔三花布置：消除注浆盲区，扩散范围85.4 m×20.3 m；（3）深孔-中深孔单排布置：深孔穿透泥岩关键层（80 m）至稳定岩层，扩散范围134.0 m×20.1 m，但存在浆液浪费；（4）深孔-中深孔三花布置：形成连续三维加固结构，扩散范围137.3 m×20.8 m，综合效果最优。注浆材料采用超细水泥基复合浆液（水灰比0.6，超细矿渣粉20%，水玻璃2%，聚羧酸高效减水剂1%），3天抗压强度8.5 MPa，7天12.3 MPa，28天18.7 MPa。
**4. 耦合注浆方案与数值模拟验证**
（1）无加固方案：顶板最大下沉量3.2 m，顶板与底板接触，整体大变形；工作面前方应力集中峰值13.6 MPa，煤壁应力峰值12.0 MPa，应力释放区高度59.6 m，易发生煤壁片帮和顶板冒落。
（2）中深孔三花布置（方案Ⅱ）：顶板下沉量2.81 m，前方应力峰值11.6 MPa，局部稳定性改善但不显著，开采80 m后因加固范围不足垮落。
（3）深孔-中深孔三花布置（方案Ⅲ）：顶板最大下沉量降至1.34 m，应力释放区高度降至43.4 m，前方应力峰值12.18 MPa，应力集中位置前移至53~102 m，分布更分散。开采至120 m安全稳定，有效控制顶板与煤壁，且不影响顶煤冒落。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，注浆加固通过充填裂隙、胶结破碎岩体，提高煤岩体强度和完整性，使应力集中区向深部转移，刚度增大导致应力向远处扩散。对比三种方案，深孔-中深孔三花布置在抑制顶板下沉、煤壁片帮和减小应力集中方面效果最显著，且经济性优于单排布置。研究结论强调：针对风化氧化带综放工作面，提出了四种注浆加固方案，其中深孔-中深孔三花布置为最优方案，可有效降低应力释放区高度至43.4 m，最大顶板下沉量1.34 m，同时不影响顶煤冒落，实现了显著加固效果，为类似地质条件提供可靠工程参考。
