窄煤柱巷道圍巖控制技術研究

岳 華

(山西焦煤汾西礦業集團有限責任公司 高陽煤礦，山西 孝義 032306)

采用窄煤柱護巷可減少護巷煤柱占用煤炭資源量，對提高礦井經濟效益以及煤炭采收率均有一定促進意義。隨著礦井巷道支護及圍巖控制水平的提升，巷道圍巖支護強度以及控制能力明顯增強，進一步促進了窄煤柱在煤礦井下的應用[1-3]。不同礦井開采煤層的賦存條件、地質構造以及圍巖控制水平等存在明顯差異，應依據現場實際情況提出針對性圍巖控制技術[4-6]。山西某礦5201回風巷留設8 m窄煤柱護巷，文中就以該巷道圍巖支護為工程背景，提出針對性圍巖控制技術，以期為其他類似礦井窄煤柱巷道圍巖支護工作開展提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

5303采面北為5301采面采空區，南為實體煤，西為采集集中巷，東為采區邊界，位置見圖1所示。5303工作面設計走向長1 452 m、傾向長230 m，采高3.8 m、放煤約11.2 m。3～5號煤底板以泥巖為主，直接頂為泥巖、煤線及砂質泥巖互層，基本頂為K3砂巖。

5303回風巷在5301采面回采完成62個月后開始掘進，沿3～5號煤合層底板掘進，留設8 m護巷煤柱，巷道斷面為矩形(凈高3.6 m、凈寬5.5 m)，原采用錨網索支護工藝。

1.2 巷道圍巖特點

1) 5303回風巷巷道斷面較大，凈面積為19.8 m2，巷道凈寬為5.5 m，巷道寬度較大時導致圍巖應力集中程度更為明顯，應變量更大。掘進產生的圍巖破碎圈分布范圍擴大，使得部分圍巖支護用的錨桿、錨索錨固力無法滿足要求，導致圍巖支護難度增加。

圖1 采面位置關系

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

3) 5303回風巷直接頂為夾矸厚煤層，在掘進應力以及后續采面采動壓力反復作用下，圍巖裂隙發育，容易形成貫通的破碎帶，導致回風巷頂板穩定性降低，部分區域甚至出現垮落、離層情況，不利于圍巖穩定支護結構形成。

2 窄煤柱巷道圍巖控制策略

1) 采用大延伸、高強度錨桿對圍巖進行支護。通過使用高強度錨桿可增加支護體系支護阻力，從而控制巷道圍巖破碎區以及塑性區發展，控制圍巖變形；大延伸錨桿使用允許巷道圍巖出現一定量的變形且錨桿圍巖變形延伸，圍巖變形后應力有所降低、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效果[7-8]。

2) 采用高強預應力錨索對支護體系進行補強加固，提高巷道圍巖破碎圈強度，高強預應力錨索錨固端位于深部穩定巖層中，可較好地起到懸吊作用；同時錨索、錨桿疊加作用，可形成結構更為穩定的支護體系。

3) 保證窄煤柱在采空區側向壓力以及采面超前支承壓力下的完整性，是實現巷道圍巖控制的關鍵之一。在巷道支護時應從增強窄煤柱完整性以及強度出發，并降低頂板應力對窄煤柱的影響。具體可采取的措施包括窄煤柱注漿加固、圍巖卸壓。

3 圍巖支護技術

3.1 巷道圍巖支護參數

巷道圍巖支護參數設計結合以往圍巖支護經驗并采用工程類比法確定，支護綜合使用錨桿、錨索、鋼梁以及金屬網，并對巷道表面進行噴漿。

巷道支護采用螺紋鋼錨桿(D22 mm×3 000 mm)，在底板兩側開挖卸壓槽(槽寬300 mm、深度500 mm)，卸壓槽可兼做排水溝，巷道支護斷面見圖2所示。

圖2 巷道圍巖支護方案(mm)

巷道頂板、巷幫錨桿規格一致，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、強度C25混凝土。

3.2 窄煤柱卸壓

為降低回風巷圍巖應力，降低窄煤柱頂板壓力影響，在回風巷內通過水力壓裂方式進行頂板卸壓。已有地質資料顯示，回風巷頂板穩定的巖層為K3砂巖，位于巷道頂板約53 m處，該層巖層穩定，為煤層上覆基本頂。采用水力壓裂技術對該層巖層進行弱化，降低該巖層穩定性及強度。根據以往水力壓裂經驗，壓裂鉆孔有效壓裂半徑為10 m，在回風巷采面幫間隔45 m布置鉆場，在鉆場內施工水力壓裂對煤層頂板K3砂巖進行卸壓，具體采面內水力壓裂鉆孔布置見圖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，單個鉆場內分別布置3個水力壓裂鉆孔，其中1號水力壓裂鉆孔在孔深40 m處進行壓裂，2號及3號水力壓裂鉆孔分別在孔深48 m、42 m位置壓裂，壓裂點均處于K3砂巖層中，通過壓裂降低該層巖層完整性。

3.3 窄煤柱注漿

在5303回風巷掘進完成后，即可通過注漿方式提高窄煤柱穩定性及強度，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，鉆孔孔徑統一為42 mm，封孔深度均為1 000 mm，具體注漿孔布置見圖4。注漿材料選擇使用GP-3無機材料，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回風巷內布置測站對巷道頂底板、兩幫變形量進行監測，具體D3測站監測結果見圖5。

圖5 回風巷圍巖變形監測曲線圖

從監測曲線看出，回風巷頂底板最大收斂量分別為72 mm、31 mm，實體煤幫以及窄煤柱幫最大移近量為146 mm、81 mm，實體煤幫變形量較窄煤柱幫有所增加，兩幫最大移近量合計為227 mm。5303回風巷采用上文所述圍巖支護措施后可滿足圍巖控制需要。

5 結 語

1) 5303回風巷采用8 m窄煤柱護巷，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題。對窄煤柱下巷道圍巖變形特征以及圍巖控制方式進行分析，采用了錨網索梁方式對窄煤柱圍巖進行控制，通過底板開挖卸壓槽、頂板布置水力壓裂鉆孔對圍巖進行卸壓，降低圍巖應力影響；通過注漿提高窄煤柱穩定性、承載能力，減少煤柱幫變形量。

2) 現場應用后，對回風巷圍巖變形監測，發現頂底板變形量分別為72 mm、31 mm，實體煤幫、窄煤柱幫最大移近量為146 mm、81 mm，圍巖變形量整體較小，回風巷采用的圍巖支護、注漿及卸壓技術可為巷道后續使用創造良好條件。