窄煤柱巷道圍巖控制技術(shù)研究

岳 華

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032306)

采用窄煤柱護(hù)巷可減少護(hù)巷煤柱占用煤炭資源量，對(duì)提高礦井經(jīng)濟(jì)效益以及煤炭采收率均有一定促進(jìn)意義。隨著礦井巷道支護(hù)及圍巖控制水平的提升，巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度以及控制能力明顯增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了窄煤柱在煤礦井下的應(yīng)用[1-3]。不同礦井開(kāi)采煤層的賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造以及圍巖控制水平等存在明顯差異，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出針對(duì)性圍巖控制技術(shù)[4-6]。山西某礦5201回風(fēng)巷留設(shè)8 m窄煤柱護(hù)巷，文中就以該巷道圍巖支護(hù)為工程背景，提出針對(duì)性圍巖控制技術(shù)，以期為其他類似礦井窄煤柱巷道圍巖支護(hù)工作開(kāi)展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

5303采面北為5301采面采空區(qū)，南為實(shí)體煤，西為采集集中巷，東為采區(qū)邊界，位置見(jiàn)圖1所示。5303工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 452 m、傾向長(zhǎng)230 m，采高3.8 m、放煤約11.2 m。3～5號(hào)煤底板以泥巖為主，直接頂為泥巖、煤線及砂質(zhì)泥巖互層，基本頂為K3砂巖。

5303回風(fēng)巷在5301采面回采完成62個(gè)月后開(kāi)始掘進(jìn)，沿3～5號(hào)煤合層底板掘進(jìn)，留設(shè)8 m護(hù)巷煤柱，巷道斷面為矩形(凈高3.6 m、凈寬5.5 m)，原采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝。

1.2 巷道圍巖特點(diǎn)

1) 5303回風(fēng)巷巷道斷面較大，凈面積為19.8 m2，巷道凈寬為5.5 m，巷道寬度較大時(shí)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中程度更為明顯，應(yīng)變量更大。掘進(jìn)產(chǎn)生的圍巖破碎圈分布范圍擴(kuò)大，使得部分圍巖支護(hù)用的錨桿、錨索錨固力無(wú)法滿足要求，導(dǎo)致圍巖支護(hù)難度增加。

圖1 采面位置關(guān)系

2) 在5303采面回采前，5303回風(fēng)巷圍巖以及窄煤柱受采動(dòng)壓力影響，巷道圍巖受力更趨復(fù)雜，在超前支承壓力作用下容易出現(xiàn)較大變形。

3) 5303回風(fēng)巷直接頂為夾矸厚煤層，在掘進(jìn)應(yīng)力以及后續(xù)采面采動(dòng)壓力反復(fù)作用下，圍巖裂隙發(fā)育，容易形成貫通的破碎帶，導(dǎo)致回風(fēng)巷頂板穩(wěn)定性降低，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)垮落、離層情況，不利于圍巖穩(wěn)定支護(hù)結(jié)構(gòu)形成。

2 窄煤柱巷道圍巖控制策略

1) 采用大延伸、高強(qiáng)度錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。通過(guò)使用高強(qiáng)度錨桿可增加支護(hù)體系支護(hù)阻力，從而控制巷道圍巖破碎區(qū)以及塑性區(qū)發(fā)展，控制圍巖變形；大延伸錨桿使用允許巷道圍巖出現(xiàn)一定量的變形且錨桿圍巖變形延伸，圍巖變形后應(yīng)力有所降低、錨桿受到的載荷減少，可降低錨桿失效概率，有助于提高巷道維護(hù)效果[7-8]。

2) 采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，提高巷道圍巖破碎圈強(qiáng)度，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索錨固端位于深部穩(wěn)定巖層中，可較好地起到懸吊作用；同時(shí)錨索、錨桿疊加作用，可形成結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的支護(hù)體系。

3) 保證窄煤柱在采空區(qū)側(cè)向壓力以及采面超前支承壓力下的完整性，是實(shí)現(xiàn)巷道圍巖控制的關(guān)鍵之一。在巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)從增強(qiáng)窄煤柱完整性以及強(qiáng)度出發(fā)，并降低頂板應(yīng)力對(duì)窄煤柱的影響。具體可采取的措施包括窄煤柱注漿加固、圍巖卸壓。

3 圍巖支護(hù)技術(shù)

3.1 巷道圍巖支護(hù)參數(shù)

巷道圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)合以往圍巖支護(hù)經(jīng)驗(yàn)并采用工程類比法確定，支護(hù)綜合使用錨桿、錨索、鋼梁以及金屬網(wǎng)，并對(duì)巷道表面進(jìn)行噴漿。

巷道支護(hù)采用螺紋鋼錨桿(D22 mm×3 000 mm)，在底板兩側(cè)開(kāi)挖卸壓槽(槽寬300 mm、深度500 mm)，卸壓槽可兼做排水溝，巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖2所示。

圖2 巷道圍巖支護(hù)方案(mm)

巷道頂板、巷幫錨桿規(guī)格一致，頂板錨桿間距900 mm、排距800 mm，每排7根；錨索為D16.8 mm×8 300 mm鋼絞線，將錨固長(zhǎng)度由1 200 mm增至2 500 mm，排距為2 000 mm×1 600 mm，每2排錨桿間布置1排錨索。

巷幫每幫均布置4根錨桿，間排距均按照900 mm×800 mm布置；巷幫在靠近頂板300 mm位置按照10°仰角布置最上排錨桿，在靠近底板600 mm位置按照20°俯角布置最下排錨桿，中間2排錨桿均垂直巷幫布置。錨桿、錨索及W鋼帶等布置完成后，在巷道表層噴射厚度100 mm、強(qiáng)度C25混凝土。

3.2 窄煤柱卸壓

為降低回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力，降低窄煤柱頂板壓力影響，在回風(fēng)巷內(nèi)通過(guò)水力壓裂方式進(jìn)行頂板卸壓。已有地質(zhì)資料顯示，回風(fēng)巷頂板穩(wěn)定的巖層為K3砂巖，位于巷道頂板約53 m處，該層巖層穩(wěn)定，為煤層上覆基本頂。采用水力壓裂技術(shù)對(duì)該層巖層進(jìn)行弱化，降低該巖層穩(wěn)定性及強(qiáng)度。根據(jù)以往水力壓裂經(jīng)驗(yàn)，壓裂鉆孔有效壓裂半徑為10 m，在回風(fēng)巷采面幫間隔45 m布置鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工水力壓裂對(duì)煤層頂板K3砂巖進(jìn)行卸壓，具體采面內(nèi)水力壓裂鉆孔布置見(jiàn)圖3所示。

圖3 水力壓裂鉆孔布置示意

布置的水力壓裂鉆孔控制巷道頂板上方48 m范圍，單個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)分別布置3個(gè)水力壓裂鉆孔，其中1號(hào)水力壓裂鉆孔在孔深40 m處進(jìn)行壓裂，2號(hào)及3號(hào)水力壓裂鉆孔分別在孔深48 m、42 m位置壓裂，壓裂點(diǎn)均處于K3砂巖層中，通過(guò)壓裂降低該層巖層完整性。

3.3 窄煤柱注漿

在5303回風(fēng)巷掘進(jìn)完成后，即可通過(guò)注漿方式提高窄煤柱穩(wěn)定性及強(qiáng)度，降低窄煤柱幫圍巖變形量。在窄煤柱上布置2排注漿鉆孔，兩排鉆孔距巷道底板分別為1 000 mm、3 000 mm，鉆孔布置呈三花眼狀，間距均為3 000 mm；上排鉆孔有15°仰角、下排鉆孔垂直煤壁施工，鉆孔孔徑統(tǒng)一為42 mm，封孔深度均為1 000 mm，具體注漿孔布置見(jiàn)圖4。注漿材料選擇使用GP-3無(wú)機(jī)材料，注漿壓力控制在3～5 MPa。

圖4 窄煤柱注漿鉆孔布置示意(mm)

4 圍巖控制效果分析

在5303回風(fēng)巷內(nèi)布置測(cè)站對(duì)巷道頂?shù)装?、兩幫變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體D3測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 回風(fēng)巷圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線圖

從監(jiān)測(cè)曲線看出，回風(fēng)巷頂?shù)装遄畲笫諗苛糠謩e為72 mm、31 mm，實(shí)體煤幫以及窄煤柱幫最大移近量為146 mm、81 mm，實(shí)體煤幫變形量較窄煤柱幫有所增加，兩幫最大移近量合計(jì)為227 mm。5303回風(fēng)巷采用上文所述圍巖支護(hù)措施后可滿足圍巖控制需要。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 5303回風(fēng)巷采用8 m窄煤柱護(hù)巷，可有效提高采面煤炭采收率，但是也面臨圍巖控制難度大的問(wèn)題。對(duì)窄煤柱下巷道圍巖變形特征以及圍巖控制方式進(jìn)行分析，采用了錨網(wǎng)索梁方式對(duì)窄煤柱圍巖進(jìn)行控制，通過(guò)底板開(kāi)挖卸壓槽、頂板布置水力壓裂鉆孔對(duì)圍巖進(jìn)行卸壓，降低圍巖應(yīng)力影響；通過(guò)注漿提高窄煤柱穩(wěn)定性、承載能力，減少煤柱幫變形量。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，對(duì)回風(fēng)巷圍巖變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)頂?shù)装遄冃瘟糠謩e為72 mm、31 mm，實(shí)體煤幫、窄煤柱幫最大移近量為146 mm、81 mm，圍巖變形量整體較小，回風(fēng)巷采用的圍巖支護(hù)、注漿及卸壓技術(shù)可為巷道后續(xù)使用創(chuàng)造良好條件。