無煤柱開采工藝的圍巖控制及工程實踐

康 智

（潞安化工寺家莊公司，山西 昔陽 045300）

0 引言

在傳統(tǒng)煤礦井下開采作業(yè)中，需合理保留護(hù)巷煤柱，用于分散應(yīng)力，確保巷道不變形，防止發(fā)生坍塌等安全事故。但隨著開采不斷進(jìn)行、深度增加，對護(hù)巷煤柱寬度要求也不斷提高，嚴(yán)重影響煤炭開采率。無煤柱開采利用科學(xué)的巷道與工作面布設(shè)、合理的開采順序，在開采中無需保留護(hù)巷煤柱，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的同時提高資源利用率[1-2]。本文結(jié)合山西某煤礦工程的實際案例，對沿空留巷無煤柱護(hù)巷開采工藝與圍巖控制技術(shù)進(jìn)行探析，最后就無煤柱開采圍巖控制發(fā)展談?wù)勛约旱膸c(diǎn)看法。

1 工程實際

山西省晉城市某煤礦3202 綜放工作面沿傾向布置，走向推進(jìn)。該工作面長為302.7 m，區(qū)段運(yùn)輸平巷長1 235 m，區(qū)段回風(fēng)平巷可采長度1 209 m，平均長度為1 222 m；該綜放工作面平均煤層厚度為5.9 m，夾矸總厚度為0.34 m；最低傾角為2°，最高傾角7°，煤層平均傾角3°；該煤礦工作面已探明可采煤炭儲量約209 萬t。此綜放工作面無特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅存在一條發(fā)育斷層，位于西北側(cè)，編號F12，煤層位于410 m 至430 m 處，暫未探出影響工作面回采的地質(zhì)情況。該煤礦綜放工作面圍巖特征，如表1 所示。

表1 某煤礦3202 工作面圍巖情況表

該綜放工作面下部存在奧灰水地層，根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)和后續(xù)勘探結(jié)果，不會對采煤工藝產(chǎn)生任何影響，且在回采過程中，不會對底板產(chǎn)生任何損傷，但應(yīng)加強(qiáng)對采礦過程的監(jiān)測，尤其是底板是否發(fā)生變形。該煤礦工作面頂板易受到水害影響，其中3201 工作面首采巷道掘進(jìn)中，頂板發(fā)生嚴(yán)重淋水情況，當(dāng)回采到19 m 左右時出現(xiàn)老頂來壓時水流量單位時間為70 m3，最大瞬間流量單位時間可達(dá)100 m3，溢出的水有可能流入老塘或放水巷，應(yīng)當(dāng)對該段有嚴(yán)重出水情況的巷道進(jìn)行注漿加固。

2 無煤柱開采工藝

無煤柱開采工藝根據(jù)巷道和煤層開采的空間、時間聯(lián)系，通常可以分跨巷無煤柱開采、回采巷道無煤柱回采與采空區(qū)維護(hù)巷道無煤柱開采三類工藝。跨巷開采包括跨大巷和集中巷、上下山等待采挖；回采巷道中無煤柱的開采，主要包括沿空留巷和沿空掘巷兩種方式；采空區(qū)的形成或者掘進(jìn)巷道就是采空區(qū)內(nèi)保持巷道或者處于穩(wěn)定狀態(tài)的、壓實后采空區(qū)新開挖巷道；留掘復(fù)合即沿空留巷和沿空掘巷的復(fù)合開采工藝。其中沿空留巷開采又可細(xì)分為有巷旁支護(hù)沿空留巷和無巷旁支護(hù)沿空留巷，沿空掘巷開采可細(xì)分為完全沿空掘巷、小煤柱沿空掘巷、巷旁填充沿空掘巷等方式[3]。因沿空留巷開采技術(shù)近年來發(fā)展成熟，已成為各煤礦普遍使用的巷道留設(shè)技術(shù)，施工中其巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量整體較為穩(wěn)定，圍巖控制效果較好，本文根據(jù)該煤礦特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹沿空留巷開采工藝及圍巖控制技術(shù)。

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)

沿空留巷圍巖控制是由巷道內(nèi)部的基本支護(hù)作為基礎(chǔ)，同時加以巷內(nèi)強(qiáng)化支護(hù)、巷旁支護(hù)與圍巖卸壓的來實現(xiàn)。這些支護(hù)措施控制了圍巖在不同時空的變形和破壞。對沿空留巷圍巖的控制設(shè)計必須系統(tǒng)、綜合的將4 種方式結(jié)合并使其相互作用，從而盡可能的發(fā)揮出每一種支護(hù)措施的效果[4]。

3.1 巷內(nèi)支護(hù)

使用錨桿錨索作為巷道內(nèi)基礎(chǔ)支護(hù)措施，其中錨桿直徑19 mm，長度為250 cm，樹脂材質(zhì)錨固，強(qiáng)度較高；錨索直徑18.2 mm，長度為730 cm，樹脂材質(zhì)錨固，結(jié)構(gòu)為1*19。幫錨桿與頂錨桿間/排距分別為800 mm/900 mm、900 mm/900 mm，頂錨索相距180cm布設(shè)一根，同排3 跟，使用W 鋼帶交錯排布，強(qiáng)化支護(hù)。

3.2 巷旁支護(hù)

該煤礦具有瓦斯含量較高、煤層較厚的特點(diǎn)，在開采過程中除巷內(nèi)支護(hù)外，還應(yīng)使用沿空留巷旁支護(hù)。巷旁支護(hù)有柱式、垛式、墻式、錨注式等支護(hù)方式，其中墻式支護(hù)具有增阻速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，且適用于厚煤層，因此在該煤礦工作面采用墻式巷旁支護(hù)。

墻式巷旁支護(hù)通常采用混凝土填充，在該煤礦中為進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，將鋼帶支架交錯排布在混凝土填充袋中，在外部采用預(yù)應(yīng)力對拉錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋托梁進(jìn)行護(hù)表。在填充混凝土后，因收到內(nèi)部與外部雙向約束力，該墻體破壞模式發(fā)生改變，承載力與抗變形力有著明顯提高。支護(hù)墻體使用B50 混凝土，厚度100 cm，對拉錨桿直徑18.2 mm，長度為120 cm，間/排距分別為800 mm/800 mm，填充袋內(nèi)部的鋼帶支架使用直徑為6 mm 的鋼筋網(wǎng)捆綁扎緊形成。該墻體混凝土終凝強(qiáng)度超出42 MPa。墻式巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2 所示。

圖2 混凝土墻式巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 水力壓裂泄壓

結(jié)合該煤礦瓦斯抽采孔分布位置與巷道頂板巖層分布，采取水平長鉆孔水力壓裂與瓦斯抽采共用鉆孔卸壓布置方法。利用瓦斯抽采孔對巷道頂板巖層實現(xiàn)逐級壓裂，使得頂板巖層內(nèi)部出現(xiàn)聯(lián)通縫隙，降低垮落難度，但應(yīng)注意在壓裂過程中不可以影響到瓦斯抽采效果[5]。

3202 工作面長度為970 m，運(yùn)輸巷回采幫布置2 個鉆孔，各設(shè)5 個采氣井，示意圖如圖3 所示。調(diào)整原有瓦斯抽采孔的層位，將1、5 孔層高從30 m 調(diào)整到28、15 m，與巷幫間距10、8 m，其余的孔都在30 m以上，間隔10 m。選擇1、2、5#孔進(jìn)行壓裂，3、4 孔不壓裂，3 孔壓裂后，采用“兩堵一注”封孔工藝，實現(xiàn)瓦斯抽放。

圖3 3202 工作面水力壓裂泄壓布設(shè)鉆孔示意圖

4 試驗效果分析

對該煤礦3202 工作面實施沿空留巷圍巖控制后，及時監(jiān)測運(yùn)輸巷留巷作業(yè)還有重復(fù)使用環(huán)節(jié)圍巖變形情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂板下沉量的范圍在100～210 mm，最大下沉量為210 mm，水泥墻側(cè)位移20 mm，煤柱一側(cè)位移110 mm，斷口收斂13%，無需實施維護(hù)，已經(jīng)達(dá)到重復(fù)使用要求。

在重復(fù)使用環(huán)節(jié)，50 m 煤巷的圍巖變形逐步大幅增加，20 m 超前液壓支架處的最大沉降量為60 mm，最大下沉量為30 mm，回采一側(cè)最大位移為18 mm，墻側(cè)偏移為20 mm。在20 m 超前支護(hù)段中，受到先導(dǎo)支護(hù)的影響，巷道沒有出現(xiàn)較大變形。因為填充墻偏窄，進(jìn)入采空區(qū)后有傾覆與破碎的現(xiàn)象，所以會加速頂板崩塌，且下煤層開采環(huán)節(jié)不會產(chǎn)生應(yīng)力過于集中的問題。

總得來說，運(yùn)輸巷在留巷、復(fù)用全服務(wù)期間內(nèi)斷面收縮率較小，頂板、煤幫及混凝土墻體穩(wěn)定，達(dá)到通風(fēng)以及運(yùn)輸要求。

5 結(jié)語

通過對某煤礦3102 綜放工作面進(jìn)行無煤柱開采沿空留巷巷道作業(yè)，并進(jìn)行圍巖控制，對圍巖變形效果分析后可以得出，通過巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)、水力壓裂泄壓后，綜放回采時巷道頂?shù)装迤屏吭诳煽胤秶鷥?nèi)，且充填體位移變化穩(wěn)定。整體圍巖控制效果完全滿足該煤礦實際生產(chǎn)要求。