小煤柱工作面應(yīng)力區(qū)順槽圍巖控制技術(shù)的應(yīng)用

周利峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤礦， 山西 朔州 038300）

引言

目前小煤柱工作面已在我國中大型煤礦得到廣泛應(yīng)用，小煤柱工作面回采工藝具有煤柱回收率高、采空區(qū)遺煤量小等優(yōu)點(diǎn)，但是在實際回采過程中還存在一些技術(shù)難題，如受應(yīng)力影響，小煤柱巷道圍巖穩(wěn)定性差、小煤柱垮落嚴(yán)重、支撐強(qiáng)度低以及巷道變形嚴(yán)重等，制約著工作面安全高效回采。所以對于應(yīng)力區(qū)小煤柱巷道必須采取合理有效的圍巖控制技術(shù)，才能保證工作面后期安全高效回采。

1 81511 工作面概況

1.1 工作面布置情況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤礦81511 工作面位于井田東盤區(qū)西部，工作面東部27 m 處為已回采結(jié)束的8501 采空區(qū)，南部為東盤區(qū)軌道大巷，西部尚未開拓，北部為81511 切巷。

81511 工作面設(shè)計走向長度為1 215 m，傾向長度為183 m，工作面回采煤層為3 號煤層與5 號煤層合并層，平均厚度為10.63 m，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 3 號與5 號煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

1.2 工作面回采工藝

81511 工作面采用一進(jìn)一回U 型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷為21511 巷，回風(fēng)巷為51511 巷，為了提高工作面煤柱損失量以及減少采空區(qū)遺煤量，工作面采用小煤柱放頂煤回采工藝，工作面回風(fēng)順槽（51511巷）與鄰近8501 采空區(qū)預(yù)留煤柱寬度為6.5 m，工作面采高為3.5 m，頂板預(yù)留放煤厚度為9.23 m，工作面停采線設(shè)置在距盤區(qū)東軌道大巷80 m 處[1-2]。

1.2 工作面回采現(xiàn)狀

截止目前工作面已回采120 m，工作面回采至70 m 處時出現(xiàn)第一次周期來壓，在周期來壓、回采應(yīng)力以及8501 采空區(qū)殘余應(yīng)力工作作用下，小煤柱巷道出現(xiàn)應(yīng)力破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在小煤柱垮落、頂板下沉、頂板出現(xiàn)跨距等，當(dāng)工作面回采至100～120 m段時，位于工作面前方30 m 范圍內(nèi)小煤柱巷幫出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象[3-4]，局部區(qū)域小煤柱寬度不足4.0 m，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)有害氣體向工作面涌入現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)3%。

2 水力切頂卸壓施工

為了降低8501 采空區(qū)殘余應(yīng)力對81511 工作面回采影響，決定對小煤柱巷道（51511 巷）采取水力切頂卸壓施工。

2.1 水力切頂卸壓技術(shù)原理

采用專用鉆機(jī)對巖體施工鉆孔，在鉆孔一段內(nèi)安裝封隔器，形成注水空間，然后對注水空間高壓注水，當(dāng)注水壓力大于巖體抗壓強(qiáng)度時，巖體出現(xiàn)裂隙現(xiàn)象，高壓水流進(jìn)入巖體裂隙并不斷對巖體進(jìn)行擴(kuò)張破壞，使巖體在某個區(qū)域范圍內(nèi)形成連續(xù)穩(wěn)定的裂隙帶，當(dāng)采空區(qū)殘余應(yīng)力傳遞至卸壓區(qū)內(nèi)時，應(yīng)力通過裂隙帶進(jìn)行卸壓作用，阻止了應(yīng)力向工作面方向傳遞，從而提高了小煤柱巷道頂板圍巖穩(wěn)定性。

2.2 水力卸壓施工設(shè)備

51511 巷采用GF-100 型超高壓水力切縫裝置進(jìn)行切頂卸壓施工，該裝置主要由高壓水泵、高壓供水膠管、注水鋼管、壓力表、環(huán)形封堵器、注水流量監(jiān)測儀部分組成，如圖1 所示。

圖1 頂板水力切頂卸壓施工平面示意圖

1）高壓水泵：GF-100 型超高壓水力切縫裝置中高壓水泵功率為22 kW，供電電壓為660 V，高壓泵設(shè)計注水流量為83.7 L/min，最大注水壓力為55 MPa[5-6]。

2）環(huán)形封堵器：環(huán)形封堵器長度為1.2 m，主要由兩端封隔器和中部中心注水囊袋兩部分組成，注水膠囊兩側(cè)布置一個壓力閥，當(dāng)注水壓力大于2.0 MPa 時，壓力閥自動打開，高壓水進(jìn)入鉆孔內(nèi)并高壓致裂巖體。

3）注水管路：主水管路主要分為注水軟管和注水鋼管兩部分組成，注水軟管分別與注水泵與注水鋼管連接，注水鋼管直徑為25 mm，每節(jié)鋼管長度為2.0 m。

4）注水流量監(jiān)測儀：注水流量監(jiān)測儀安裝注水膠管與鋼管之間，該裝置主要實時對注水量、注水壓力緊監(jiān)測，并對結(jié)果進(jìn)行顯示、分析。

2.3 切頂卸壓施工工序

1）首先采用SKJ-5.5 型鉆機(jī)配套長度為1.5 m，直徑為65 mm 中空鉆桿以及直徑為132 mm 鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔深度為6.0 m，直徑為132 mm，鉆孔布置間距為5.0 m，鉆孔偏向采空區(qū)方向且與頂板夾角為75°，鉆孔與小煤柱間距為0.3 m[7-8]。

2）鉆孔施工完后再鉆孔底部以及距鉆孔底部1.0 m 處各安裝一個封孔器，使鉆孔形成一個封閉的封堵空間，并在封堵空間內(nèi)安裝一個高壓注水管路。

3）封孔器及管路安裝到位后，對封堵空間進(jìn)行高壓注水，通過流量水壓監(jiān)測儀監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，鉆孔封堵空間在注水8 min 后封孔空間完全充水，注水量為0.7 m3，注水壓力為2.0 MPa，然后逐漸增加注水壓力并持續(xù)注水，當(dāng)注水13 min 后封堵空間注水量為2.3 m3，注水壓力為24 MPa，確定鉆孔壁已產(chǎn)生裂隙，部分高壓水流進(jìn)入巖體裂隙內(nèi)，穩(wěn)壓5 min 后停止注水[9]。

3 小煤柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了防止采空區(qū)應(yīng)力、回采應(yīng)力對小煤柱影響，決定對51511 巷與8501 采空區(qū)之間的小煤柱采取“邁步式JW 型錨索吊棚施工+ 注漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 高強(qiáng)度JW 鋼梁錨棚支護(hù)

51511 巷在進(jìn)行切頂卸壓施工時，應(yīng)力對鉆孔壁巖體產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致小煤柱巷道頂板位于切頂孔側(cè)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，所以決定在卸壓孔附近施工錨索吊棚對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

1）51511 巷采用的JW 型錨索吊棚由長度為2.5m，寬度為0.32 m，厚度為8 mm JW 鋼梁和兩根長度為8.0 m，直徑為21.8 mm 恒組錨索組成，鋼梁最大承載能力為845 MPa。

2）錨索吊棚與小煤柱巷道走向布置，第一排錨索吊棚施工在工作面前方5.0 m 處，同一架錨索吊棚支護(hù)孔布置間距為2.0 m，鉆孔深度為8.0 m，鉆孔與切頂孔間距為0.5 m，布置間距為1.0 m，如圖2 所示。

3）第二排錨索吊棚施工在距切頂孔1.5 m 處，為了提高相鄰兩排JW 型錨索吊棚聯(lián)鎖控制作用，相鄰兩排吊棚在走向上錯位1.0 m，如圖2 所示。

圖2 81511 工作面小煤柱巷道聯(lián)合支護(hù)示意圖（單位：mm）

3.2 注漿加固

由于小煤柱寬度為6.5 m，小煤柱煤體在應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂隙，導(dǎo)致煤體穩(wěn)定性差，煤體透氣系數(shù)高，致使51511 巷內(nèi)有害氣體涌入量大，所以決定對小煤柱采取注漿封堵。

1）小煤柱采用淺深孔注漿工藝，每排施工兩個注漿鉆孔（1 個淺孔1 個深孔），鉆孔直徑為45 mm，同一排鉆孔間距為1.2 m，排距為3.0 m。

2）深孔孔深為8.0 m，施工在距頂板1.5 m 處煤柱上，鉆孔與煤柱成60°仰角布置，深孔注漿主要對小煤柱及局部小煤柱頂板裂隙進(jìn)行注漿封堵；淺孔與頂板間距為2.7 m，淺孔深度為4.0 m，淺孔垂直小煤柱布置，主要對小煤柱進(jìn)行注漿加固[10]。

3）注漿鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)安裝注漿管，注漿管與ZBYSB140/6-7.5 型液壓注漿泵連接進(jìn)行注漿施工，注漿選用“粉煤灰+水泥+膠結(jié)劑”混合漿液，由于粉煤灰是一種硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)材料，在溫度15～25 ℃范圍內(nèi)粉煤灰與堿性化學(xué)材料可快速反應(yīng)產(chǎn)生膠凝性產(chǎn)物，凝固后具有很強(qiáng)的膠結(jié)延展性以及黏接性，而且成本費(fèi)用低。

4 結(jié)論

1）水力切頂卸壓技術(shù)與爆破切頂卸壓相比，施工成本費(fèi)用低，安全系數(shù)高，對圍巖整體穩(wěn)定性影響小，通過對小煤柱巷道頂板采取水力切頂卸壓技術(shù)后，對頂板形成了定向連續(xù)裂隙帶，實現(xiàn)了卸壓作用，有效避免了采空區(qū)應(yīng)力對小煤柱巷道頂板破壞作用。

2）小煤柱巷道頂板及巷幫聯(lián)合支護(hù)后，使巷道頂板穩(wěn)定性得到有效提高，避免了應(yīng)力卸壓作用導(dǎo)致頂板失穩(wěn)現(xiàn)象，控制了巷幫煤柱裂隙帶發(fā)育，提高了巷幫煤柱封堵性及隔絕性，杜絕了小煤柱出現(xiàn)擠壓收縮、煤體垮落以及有害氣體涌出現(xiàn)象，實測巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤刂?.4%以下。