沿空掘巷小煤柱側防瓦斯泄漏技術

郭世輝

（晉能控股煤業集團趙莊煤業，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出現破碎、瓦斯泄漏問題。當煤層瓦斯含量高，或者存在自燃傾向時，極容易發生掘巷內瓦斯超限或采空區遺煤自燃事故[1-3]。以往多采用單一的混凝土噴漿方式進行噴漿封閉，存在材料運輸工程量大、變形易開裂等問題。本文以趙莊煤業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。

1 工程背景

趙莊煤業1313工作面埋深700～750 m，開采3#煤層，工作面設計走向可采長度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，順槽設計寬度5 m，高度4.5 m，采用錨網索聯合支護。

工作面南側為1312工作面采空區，垮落穩定，北側為保護煤柱，西側為礦界，東側為盤區大巷。

1313工作面和1312工作面之間設計保護煤柱寬度50 m。計劃在保護煤柱內開展沿空掘巷，小煤柱留設寬度8 m，掘巷設計寬度5 m，高度4.5 m，掘巷北側剩余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

沿空掘巷小煤柱側采用錨索網聯合支護。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護表。所有錨桿索均垂直于煤幫。小煤柱支護形式如圖2。

圖2 小煤柱錨桿索支護平面圖（mm）

2 存在問題及治理思路

趙莊煤業為高瓦斯礦井，工作面埋深大，地質構造多，煤體強度低。工作面采高大，礦壓顯現十分劇烈。以往留設50～60 m大煤柱護巷，留巷變形仍十分嚴重，幫鼓達到2～2.5 m。

雖然沿空掘巷位置在煤柱內應力降低區，但應力降低區也是破壞卸壓區，雖然煤體能夠基本保持完整性，但承載能力已經大幅降低。沿空掘巷期間，頂板壓力較小，可以實現安全掘進，小煤柱不出現大變形，但在1313工作面回采期間，超前支承壓力作用下，小煤柱受兩側工作面的疊加影響，必然出現應力集中、裂隙增多、破碎、大變形問題，不但造成掘巷與采空區溝通，存在采空區瓦斯泄漏風險，而且幫部大變形減小了掘巷斷面，影響通風和安全使用。其中采空區瓦斯泄漏為重大安全隱患。

為了防止小煤柱側瓦斯泄漏，計劃采取“噴漿+注漿”兩種手段配合的外封內注治理思路。噴漿在表面形成整體封堵層，防止煤體風化和瓦斯泄漏；注漿可以對小煤柱內部裂隙和錨桿索孔填充封堵，阻絕漏風通道，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”技術方案

3.1 柔性薄噴技術方案

噴漿應當在掘進后快速完成。

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。掘巷運輸條件差，運輸壓力極大。此外，混凝土噴漿還存在勞動強度大、噪音大、回彈率高、粉塵大、作業環境污染、設備笨重、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左右固結成膜，1 d抗壓強度3 MPa左右，粘結強度在1.5 MPa左右，具備柔性特征，噴層固化后可以彎曲折疊，有效適應圍巖變形而不發生開裂。

（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，實際能夠達到160 m2左右。

（3）使用絕對安全。最高反應溫度＜40 ℃，同時具備絕對阻燃、抗靜電特征。

付軍科認為，ERAS不僅僅是一項技術，更多的是一種理念的更新，其核心就是圍繞患者圍手術期的加速康復采取一系列優化措施。“這和國家講的時刻為患者利益考慮，讓患者獲得優質醫療服務的理念是高度契合的。”付軍科說，本著這樣的核心理念，以患者為中心，想辦法預防一些并發癥的發生，就會自然啟動ERAS的各個程序，伴隨而來的便是醫療質量的提升及對精細化醫療管理的踐行。

（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，作業環境好。

（5）設備輕便、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，總質量35 kg，移動方便，兩側最大覆蓋范圍80 m。

噴涂工藝：采用復噴工藝，一次噴涂厚度為2～3 mm，等待1 d完全固化后，進行第二遍噴涂。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。

3.2 小煤柱注漿加固方案

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

為了防止漿液向采空區擴散，計劃采取高密度淺鉆孔和快凝注漿材料相結合的方式。高密度鉆孔保障了漿液的擴散效果，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散范圍，防止漏漿到采空區。

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：進入1313工作面超前支承壓力區之后，裂隙開始逐漸發育貫通，可注性增強，但不可等到圍巖出現大變形，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。合理注漿時機應是始終超前工作面30～50 m進行，隨工作面推進“移動注漿”。

注漿參數：為防止漿液擴散過遠，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，如果出現長時間無壓注漿，應及時換孔。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

沿空掘巷完成后，對小煤柱側進行集中噴涂封閉，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、柔韌性和強度均良好。

（2）掘巷使用期間，在小煤柱側進行了全程瓦斯濃度監測，未發現有明顯的瓦斯泄漏。

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

5 結論

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

（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合的方式，避免了漿液流入采空區，同時保證了漿液擴散效果；

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