窄煤柱巷道围岩控制技术研究

岳 华

(山西焦煤汾西矿业集团有限责任公司 高阳煤矿，山西 孝义 032306)

采用窄煤柱护巷可减少护巷煤柱占用煤炭资源量，对提高矿井经济效益以及煤炭采收率均有一定促进意义。随着矿井巷道支护及围岩控制水平的提升，巷道围岩支护强度以及控制能力明显增强，进一步促进了窄煤柱在煤矿井下的应用[1-3]。不同矿井开采煤层的赋存条件、地质构造以及围岩控制水平等存在明显差异，应依据现场实际情况提出针对性围岩控制技术[4-6]。山西某矿5201回风巷留设8 m窄煤柱护巷，文中就以该巷道围岩支护为工程背景，提出针对性围岩控制技术，以期为其他类似矿井窄煤柱巷道围岩支护工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

5303采面北为5301采面采空区，南为实体煤，西为采集集中巷，东为采区边界，位置见图1所示。5303工作面设计走向长1 452 m、倾向长230 m，采高3.8 m、放煤约11.2 m。3～5号煤底板以泥岩为主，直接顶为泥岩、煤线及砂质泥岩互层，基本顶为K3砂岩。

5303回风巷在5301采面回采完成62个月后开始掘进，沿3～5号煤合层底板掘进，留设8 m护巷煤柱，巷道断面为矩形(净高3.6 m、净宽5.5 m)，原采用锚网索支护工艺。

1.2 巷道围岩特点

1) 5303回风巷巷道断面较大，净面积为19.8 m2，巷道净宽为5.5 m，巷道宽度较大时导致围岩应力集中程度更为明显，应变量更大。掘进产生的围岩破碎圈分布范围扩大，使得部分围岩支护用的锚杆、锚索锚固力无法满足要求，导致围岩支护难度增加。

图1 采面位置关系

2) 在5303采面回采前，5303回风巷围岩以及窄煤柱受采动压力影响，巷道围岩受力更趋复杂，在超前支承压力作用下容易出现较大变形。

3) 5303回风巷直接顶为夹矸厚煤层，在掘进应力以及后续采面采动压力反复作用下，围岩裂隙发育，容易形成贯通的破碎带，导致回风巷顶板稳定性降低，部分区域甚至出现垮落、离层情况，不利于围岩稳定支护结构形成。

2 窄煤柱巷道围岩控制策略

1) 采用大延伸、高强度锚杆对围岩进行支护。通过使用高强度锚杆可增加支护体系支护阻力，从而控制巷道围岩破碎区以及塑性区发展，控制围岩变形；大延伸锚杆使用允许巷道围岩出现一定量的变形且锚杆围岩变形延伸，围岩变形后应力有所降低、锚杆受到的载荷减少，可降低锚杆失效概率，有助于提高巷道维护效果[7-8]。

2) 采用高强预应力锚索对支护体系进行补强加固，提高巷道围岩破碎圈强度，高强预应力锚索锚固端位于深部稳定岩层中，可较好地起到悬吊作用；同时锚索、锚杆叠加作用，可形成结构更为稳定的支护体系。

3) 保证窄煤柱在采空区侧向压力以及采面超前支承压力下的完整性，是实现巷道围岩控制的关键之一。在巷道支护时应从增强窄煤柱完整性以及强度出发，并降低顶板应力对窄煤柱的影响。具体可采取的措施包括窄煤柱注浆加固、围岩卸压。

3 围岩支护技术

3.1 巷道围岩支护参数

巷道围岩支护参数设计结合以往围岩支护经验并采用工程类比法确定，支护综合使用锚杆、锚索、钢梁以及金属网，并对巷道表面进行喷浆。

巷道支护采用螺纹钢锚杆(D22 mm×3 000 mm)，在底板两侧开挖卸压槽(槽宽300 mm、深度500 mm)，卸压槽可兼做排水沟，巷道支护断面见图2所示。

图2 巷道围岩支护方案(mm)

巷道顶板、巷帮锚杆规格一致，顶板锚杆间距900 mm、排距800 mm，每排7根；锚索为D16.8 mm×8 300 mm钢绞线，将锚固长度由1 200 mm增至2 500 mm，排距为2 000 mm×1 600 mm，每2排锚杆间布置1排锚索。

巷帮每帮均布置4根锚杆，间排距均按照900 mm×800 mm布置；巷帮在靠近顶板300 mm位置按照10°仰角布置最上排锚杆，在靠近底板600 mm位置按照20°俯角布置最下排锚杆，中间2排锚杆均垂直巷帮布置。锚杆、锚索及W钢带等布置完成后，在巷道表层喷射厚度100 mm、强度C25混凝土。

3.2 窄煤柱卸压

为降低回风巷围岩应力，降低窄煤柱顶板压力影响，在回风巷内通过水力压裂方式进行顶板卸压。已有地质资料显示，回风巷顶板稳定的岩层为K3砂岩，位于巷道顶板约53 m处，该层岩层稳定，为煤层上覆基本顶。采用水力压裂技术对该层岩层进行弱化，降低该岩层稳定性及强度。根据以往水力压裂经验，压裂钻孔有效压裂半径为10 m，在回风巷采面帮间隔45 m布置钻场，在钻场内施工水力压裂对煤层顶板K3砂岩进行卸压，具体采面内水力压裂钻孔布置见图3所示。

图3 水力压裂钻孔布置示意

布置的水力压裂钻孔控制巷道顶板上方48 m范围，单个钻场内分别布置3个水力压裂钻孔，其中1号水力压裂钻孔在孔深40 m处进行压裂，2号及3号水力压裂钻孔分别在孔深48 m、42 m位置压裂，压裂点均处于K3砂岩层中，通过压裂降低该层岩层完整性。

3.3 窄煤柱注浆

在5303回风巷掘进完成后，即可通过注浆方式提高窄煤柱稳定性及强度，降低窄煤柱帮围岩变形量。在窄煤柱上布置2排注浆钻孔，两排钻孔距巷道底板分别为1 000 mm、3 000 mm，钻孔布置呈三花眼状，间距均为3 000 mm；上排钻孔有15°仰角、下排钻孔垂直煤壁施工，钻孔孔径统一为42 mm，封孔深度均为1 000 mm，具体注浆孔布置见图4。注浆材料选择使用GP-3无机材料，注浆压力控制在3～5 MPa。

图4 窄煤柱注浆钻孔布置示意(mm)

4 围岩控制效果分析

在5303回风巷内布置测站对巷道顶底板、两帮变形量进行监测，具体D3测站监测结果见图5。

图5 回风巷围岩变形监测曲线图

从监测曲线看出，回风巷顶底板最大收敛量分别为72 mm、31 mm，实体煤帮以及窄煤柱帮最大移近量为146 mm、81 mm，实体煤帮变形量较窄煤柱帮有所增加，两帮最大移近量合计为227 mm。5303回风巷采用上文所述围岩支护措施后可满足围岩控制需要。

5 结 语

1) 5303回风巷采用8 m窄煤柱护巷，可有效提高采面煤炭采收率，但是也面临围岩控制难度大的问题。对窄煤柱下巷道围岩变形特征以及围岩控制方式进行分析，采用了锚网索梁方式对窄煤柱围岩进行控制，通过底板开挖卸压槽、顶板布置水力压裂钻孔对围岩进行卸压，降低围岩应力影响；通过注浆提高窄煤柱稳定性、承载能力，减少煤柱帮变形量。

2) 现场应用后，对回风巷围岩变形监测，发现顶底板变形量分别为72 mm、31 mm，实体煤帮、窄煤柱帮最大移近量为146 mm、81 mm，围岩变形量整体较小，回风巷采用的围岩支护、注浆及卸压技术可为巷道后续使用创造良好条件。