沿空掘巷小煤柱側(cè)防瓦斯泄漏技術(shù)

郭世輝

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長治 048000）

小煤柱沿空掘巷可大幅提高資源回收率但是在第二個工作面回采期間，超前采動影響下小煤柱側(cè)出現(xiàn)破碎、瓦斯泄漏問題。當(dāng)煤層瓦斯含量高，或者存在自燃傾向時，極容易發(fā)生掘巷內(nèi)瓦斯超限或采空區(qū)遺煤自燃事故[1-3]。以往多采用單一的混凝土噴漿方式進(jìn)行噴漿封閉，存在材料運(yùn)輸工程量大、變形易開裂等問題。本文以趙莊煤業(yè)1313大采高工作面8 m小煤柱沿空掘巷為工程背景，研究提出小煤柱防瓦斯泄漏綜合治理技術(shù)。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)1313工作面埋深700～750 m，開采3#煤層，工作面設(shè)計走向可采長度450 m，傾向長度220 m，煤層平均厚度4.5 m，采用后退式綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法。工作面布置13133巷（原13121巷）、13131巷2條順槽，順槽設(shè)計寬度5 m，高度4.5 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

工作面南側(cè)為1312工作面采空區(qū)，垮落穩(wěn)定，北側(cè)為保護(hù)煤柱，西側(cè)為礦界，東側(cè)為盤區(qū)大巷。

1313工作面和1312工作面之間設(shè)計保護(hù)煤柱寬度50 m。計劃在保護(hù)煤柱內(nèi)開展沿空掘巷，小煤柱留設(shè)寬度8 m，掘巷設(shè)計寬度5 m，高度4.5 m，掘巷北側(cè)剩余37 m煤柱劃入1313工作面回采范圍，跨13133巷回采。掘巷與工作面位置關(guān)系如圖1。

圖1 掘巷與工作面位置示意圖

沿空掘巷小煤柱側(cè)采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿長度2.4 m，排距1.2 m，每排5根錨桿，間距0.9 m，上排錨桿距頂0.4 m，下排錨桿距底0.5 m；錨索長度5.4 m，排距1.2 m，每排3根錨索，間距1.5 m，上排錨索距頂0.7 m，下排錨索距底0.8 m，采用雙層菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。所有錨桿索均垂直于煤幫。小煤柱支護(hù)形式如圖2。

圖2 小煤柱錨桿索支護(hù)平面圖（mm）

2 存在問題及治理思路

趙莊煤業(yè)為高瓦斯礦井，工作面埋深大，地質(zhì)構(gòu)造多，煤體強(qiáng)度低。工作面采高大，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈。以往留設(shè)50～60 m大煤柱護(hù)巷，留巷變形仍十分嚴(yán)重，幫鼓達(dá)到2～2.5 m。

雖然沿空掘巷位置在煤柱內(nèi)應(yīng)力降低區(qū)，但應(yīng)力降低區(qū)也是破壞卸壓區(qū)，雖然煤體能夠基本保持完整性，但承載能力已經(jīng)大幅降低。沿空掘巷期間，頂板壓力較小，可以實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)，小煤柱不出現(xiàn)大變形，但在1313工作面回采期間，超前支承壓力作用下，小煤柱受兩側(cè)工作面的疊加影響，必然出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂隙增多、破碎、大變形問題，不但造成掘巷與采空區(qū)溝通，存在采空區(qū)瓦斯泄漏風(fēng)險，而且?guī)筒看笞冃螠p小了掘巷斷面，影響通風(fēng)和安全使用。其中采空區(qū)瓦斯泄漏為重大安全隱患。

為了防止小煤柱側(cè)瓦斯泄漏，計劃采取“噴漿+注漿”兩種手段配合的外封內(nèi)注治理思路。噴漿在表面形成整體封堵層，防止煤體風(fēng)化和瓦斯泄漏；注漿可以對小煤柱內(nèi)部裂隙和錨桿索孔填充封堵，阻絕漏風(fēng)通道，同時加固小煤柱，改善錨桿索受力狀況，減小煤柱變形量，減輕對噴漿層的壓力。

3 小煤柱“柔性薄噴+注漿”技術(shù)方案

3.1 柔性薄噴技術(shù)方案

噴漿應(yīng)當(dāng)在掘進(jìn)后快速完成。

以往多采用混凝土噴漿方式，噴涂厚度150～200 mm，以小煤柱側(cè)高度4.5 m，長度450 m，噴涂厚度170 mm，回彈損失15%，混凝土噴層密度2.5 t/m3測算，混凝土噴漿需要約989 t干料。掘巷運(yùn)輸條件差，運(yùn)輸壓力極大。此外，混凝土噴漿還存在勞動強(qiáng)度大、噪音大、回彈率高、粉塵大、作業(yè)環(huán)境污染、設(shè)備笨重、容易開裂等諸多問題。

本次采用一種柔性薄噴材料，分為A組分和B組分。A組分為乳膠狀液體，桶裝，50 kg/桶；B組分為粉體，袋裝，25 kg/袋。使用質(zhì)量比A:B=0.6:1。主要性能如下：

（1）兩種組分按比例混合后，形成高濃度可泵送漿體，噴涂到煤壁上掛壁良好，60 min左右固結(jié)成膜，1 d抗壓強(qiáng)度3 MPa左右，粘結(jié)強(qiáng)度在1.5 MPa左右，具備柔性特征，噴層固化后可以彎曲折疊，有效適應(yīng)圍巖變形而不發(fā)生開裂。

（2）噴涂厚度小。噴涂厚度僅需3～5 mm即可，按照5 mm厚度噴涂，每噸噴涂材料理論上可以噴涂240 m2，考慮煤壁不平整，材料消耗增大的因素，實(shí)際能夠達(dá)到160 m2左右。

（3）使用絕對安全。最高反應(yīng)溫度＜40 ℃，同時具備絕對阻燃、抗靜電特征。

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（4）施工速度快。單日可噴涂4 t材料，噴涂過程中材料掛壁良好，基本無回彈，作業(yè)環(huán)境好。

（5）設(shè)備輕便、工藝簡單。采用立式氣動噴涂泵，以井下壓縮空氣作為動力，不需接電，總質(zhì)量35 kg，移動方便，兩側(cè)最大覆蓋范圍80 m。

噴涂工藝：采用復(fù)噴工藝，一次噴涂厚度為2～3 mm，等待1 d完全固化后，進(jìn)行第二遍噴涂。厚度2～3 mm，最終噴涂厚度5 mm左右，目的是防止煤體表面不平整造成第一遍噴涂層有裂縫，第二遍可將第一遍裂縫覆蓋，確保完全不漏風(fēng)。

3.2 小煤柱注漿加固方案

小煤柱注漿加固的關(guān)鍵在于：（1）小煤柱寬度有限，裂隙發(fā)育，要預(yù)防漿液擴(kuò)散到另一側(cè)采空區(qū)，造成材料浪費(fèi)。（2）合理注漿時機(jī)選擇。注漿過早則裂隙不發(fā)育，可注性差，注完以后重新壓碎；注漿過晚則煤體已經(jīng)發(fā)生大變形，注漿材料消耗量大且效果不佳。

為了防止?jié){液向采空區(qū)擴(kuò)散，計劃采取高密度淺鉆孔和快凝注漿材料相結(jié)合的方式。高密度鉆孔保障了漿液的擴(kuò)散效果，淺鉆孔留下足夠的防漏漿煤柱寬度；快凝注漿材料可以控制單個鉆孔漿液擴(kuò)散范圍，防止漏漿到采空區(qū)。

注漿鉆孔布置：鉆孔排距2 m，每排3個鉆孔，間距1.4 m，上部鉆孔距頂0.5 m，仰角5°，下部鉆孔距底1.2 m，垂直于煤幫，中部鉆孔也垂直于煤幫，孔深均為4.5 m，孔徑42 mm。注漿鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 小煤柱注漿鉆孔布置示意圖（mm）

合理注漿時機(jī)：進(jìn)入1313工作面超前支承壓力區(qū)之后，裂隙開始逐漸發(fā)育貫通，可注性增強(qiáng)，但不可等到圍巖出現(xiàn)大變形，同時要盡量縮短注漿完畢到工作面推過的時間差，縮短圍巖變形時間。合理注漿時機(jī)應(yīng)是始終超前工作面30～50 m進(jìn)行，隨工作面推進(jìn)“移動注漿”。

注漿參數(shù)：為防止?jié){液擴(kuò)散過遠(yuǎn)，采用低壓緩注的注漿工藝，注漿壓力2～4 MPa，不宜過高，控制注漿泵流量。根據(jù)單個鉆孔覆蓋范圍和裂隙率測算，單個鉆孔注漿量控制在100～125 kg，如果出現(xiàn)長時間無壓注漿，應(yīng)及時換孔。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

沿空掘巷完成后，對小煤柱側(cè)進(jìn)行集中噴涂封閉，使用柔性薄噴材料共計13 t，工期7 d，平均噴涂厚度5 mm。

在1313工作面回采期間，在超前區(qū)30～50 m范圍“移動注漿”，單孔消耗注漿材料約0.1 t，總計消耗注漿材料68 t，平均注漿壓力3 MPa。

4.2 效果考察

（1）噴涂過程中，施工速度快，漿液掛壁、凝固、柔韌性和強(qiáng)度均良好。

（2）掘巷使用期間，在小煤柱側(cè)進(jìn)行了全程瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)有明顯的瓦斯泄漏。

（3）掘巷使用期間，小煤柱側(cè)變形量控制在300 mm以內(nèi)，煤壁較為平直完整，錨桿索受力在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)嚴(yán)重變形和鼓包破裂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）沿空掘巷小煤柱受下一工作面回采動壓影響，容易出現(xiàn)大變形和瓦斯泄漏問題，采取“噴漿+注漿”的外封內(nèi)注治理思路；

（2）采用柔性薄噴材料，噴涂厚度5 mm左右，具備柔韌性、阻燃抗靜電、低溫等特征，材料消耗量不及混凝土的2%，有效解決了材料運(yùn)輸和開裂問題；

（3）小煤柱注漿采用高密度淺鉆孔和快凝注漿材料相結(jié)合的方式，避免了漿液流入采空區(qū)，同時保證了漿液擴(kuò)散效果；

（4）效果考察表明，柔性薄噴材料掛壁性和柔韌性良好，掘巷服務(wù)期間小煤柱側(cè)未出現(xiàn)明顯瓦斯泄漏和大變形現(xiàn)象。