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

在傳統煤礦井下開采作業中，需合理保留護巷煤柱，用于分散應力，確保巷道不變形，防止發生坍塌等安全事故。但隨著開采不斷進行、深度增加，對護巷煤柱寬度要求也不斷提高，嚴重影響煤炭開采率。無煤柱開采利用科學的巷道與工作面布設、合理的開采順序，在開采中無需保留護巷煤柱，實現安全生產的同時提高資源利用率[1-2]。本文結合山西某煤礦工程的實際案例，對沿空留巷無煤柱護巷開采工藝與圍巖控制技術進行探析，最后就無煤柱開采圍巖控制發展談談自己的幾點看法。

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。該工作面長為302.7 m，區段運輸平巷長1 235 m，區段回風平巷可采長度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結構，僅存在一條發育斷層，位于西北側，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，根據地質數據和后續勘探結果，不會對采煤工藝產生任何影響，且在回采過程中，不會對底板產生任何損傷，但應加強對采礦過程的監測，尤其是底板是否發生變形。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中，頂板發生嚴重淋水情況，當回采到19 m 左右時出現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100 m3，溢出的水有可能流入老塘或放水巷，應當對該段有嚴重出水情況的巷道進行注漿加固。

2 無煤柱開采工藝

無煤柱開采工藝根據巷道和煤層開采的空間、時間聯系，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維護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；采空區的形成或者掘進巷道就是采空區內保持巷道或者處于穩定狀態的、壓實后采空區新開挖巷道；留掘復合即沿空留巷和沿空掘巷的復合開采工藝。其中沿空留巷開采又可細分為有巷旁支護沿空留巷和無巷旁支護沿空留巷，沿空掘巷開采可細分為完全沿空掘巷、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近年來發展成熟，已成為各煤礦普遍使用的巷道留設技術，施工中其巷道頂底板移進量整體較為穩定，圍巖控制效果較好，本文根據該煤礦特點，重點介紹沿空留巷開采工藝及圍巖控制技術。

3 沿空留巷圍巖控制技術

沿空留巷圍巖控制是由巷道內部的基本支護作為基礎，同時加以巷內強化支護、巷旁支護與圍巖卸壓的來實現。這些支護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計必須系統、綜合的將4 種方式結合并使其相互作用，從而盡可能的發揮出每一種支護措施的效果[4]。

3.1 巷內支護

使用錨桿錨索作為巷道內基礎支護措施，其中錨桿直徑19 mm，長度為250 cm，樹脂材質錨固，強度較高；錨索直徑18.2 mm，長度為730 cm，樹脂材質錨固，結構為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布設一根，同排3 跟，使用W 鋼帶交錯排布，強化支護。

3.2 巷旁支護

該煤礦具有瓦斯含量較高、煤層較厚的特點，在開采過程中除巷內支護外，還應使用沿空留巷旁支護。巷旁支護有柱式、垛式、墻式、錨注式等支護方式，其中墻式支護具有增阻速率高、穩定性強等特點，且適用于厚煤層，因此在該煤礦工作面采用墻式巷旁支護。

墻式巷旁支護通常采用混凝土填充，在該煤礦中為進一步提高穩定性，將鋼帶支架交錯排布在混凝土填充袋中，在外部采用預應力對拉錨桿、鋼筋網和鋼筋托梁進行護表。在填充混凝土后，因收到內部與外部雙向約束力，該墻體破壞模式發生改變，承載力與抗變形力有著明顯提高。支護墻體使用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，填充袋內部的鋼帶支架使用直徑為6 mm 的鋼筋網捆綁扎緊形成。該墻體混凝土終凝強度超出42 MPa。墻式巷旁支護結構示意圖，如圖2 所示。

圖2 混凝土墻式巷旁支護結構示意圖

3.3 水力壓裂泄壓

結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逐級壓裂，使得頂板巖層內部出現聯通縫隙，降低垮落難度，但應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，運輸巷回采幫布置2 個鉆孔，各設5 個采氣井，示意圖如圖3 所示。調整原有瓦斯抽采孔的層位，將1、5 孔層高從30 m 調整到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，實現瓦斯抽放。

圖3 3202 工作面水力壓裂泄壓布設鉆孔示意圖

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，及時監測運輸巷留巷作業還有重復使用環節圍巖變形情況。結果發現，頂板下沉量的范圍在100～210 mm，最大下沉量為210 mm，水泥墻側位移20 mm，煤柱一側位移110 mm，斷口收斂13%，無需實施維護，已經達到重復使用要求。

在重復使用環節，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，回采一側最大位移為18 mm，墻側偏移為20 mm。在20 m 超前支護段中，受到先導支護的影響，巷道沒有出現較大變形。因為填充墻偏窄，進入采空區后有傾覆與破碎的現象，所以會加速頂板崩塌，且下煤層開采環節不會產生應力過于集中的問題。

總得來說，運輸巷在留巷、復用全服務期間內斷面收縮率較小，頂板、煤幫及混凝土墻體穩定，達到通風以及運輸要求。

5 結語

通過對某煤礦3102 綜放工作面進行無煤柱開采沿空留巷巷道作業，并進行圍巖控制，對圍巖變形效果分析后可以得出，通過巷內支護、巷旁支護、水力壓裂泄壓后，綜放回采時巷道頂底板偏移量在可控范圍內，且充填體位移變化穩定。整體圍巖控制效果完全滿足該煤礦實際生產要求。