无煤柱开采工艺的围岩控制及工程实践

2024-01-12康智

山西化工 2023年12期

康智

（潞安化工寺家庄公司，山西昔阳 045300）

0 引言

在传统煤矿井下开采作业中，需合理保留护巷煤柱，用于分散应力，确保巷道不变形，防止发生坍塌等安全事故。但随着开采不断进行、深度增加，对护巷煤柱宽度要求也不断提高，严重影响煤炭开采率。无煤柱开采利用科学的巷道与工作面布设、合理的开采顺序，在开采中无需保留护巷煤柱，实现安全生产的同时提高资源利用率[1-2]。本文结合山西某煤矿工程的实际案例，对沿空留巷无煤柱护巷开采工艺与围岩控制技术进行探析，最后就无煤柱开采围岩控制发展谈谈自己的几点看法。

1 工程实际

山西省晋城市某煤矿3202 综放工作面沿倾向布置，走向推进。该工作面长为302.7 m，区段运输平巷长1 235 m，区段回风平巷可采长度1 209 m，平均长度为1 222 m；该综放工作面平均煤层厚度为5.9 m，夹矸总厚度为0.34 m；最低倾角为2°，最高倾角7°，煤层平均倾角3°；该煤矿工作面已探明可采煤炭储量约209 万t。此综放工作面无特殊地质结构，仅存在一条发育断层，位于西北侧，编号F12，煤层位于410 m 至430 m 处，暂未探出影响工作面回采的地质情况。该煤矿综放工作面围岩特征，如表1 所示。

表1 某煤矿3202 工作面围岩情况表

该综放工作面下部存在奥灰水地层，根据地质数据和后续勘探结果，不会对采煤工艺产生任何影响，且在回采过程中，不会对底板产生任何损伤，但应加强对采矿过程的监测，尤其是底板是否发生变形。该煤矿工作面顶板易受到水害影响，其中3201 工作面首采巷道掘进中，顶板发生严重淋水情况，当回采到19 m 左右时出现老顶来压时水流量单位时间为70 m3，最大瞬间流量单位时间可达100 m3，溢出的水有可能流入老塘或放水巷，应当对该段有严重出水情况的巷道进行注浆加固。

2 无煤柱开采工艺

无煤柱开采工艺根据巷道和煤层开采的空间、时间联系，通常可以分跨巷无煤柱开采、回采巷道无煤柱回采与采空区维护巷道无煤柱开采三类工艺。跨巷开采包括跨大巷和集中巷、上下山等待采挖；回采巷道中无煤柱的开采，主要包括沿空留巷和沿空掘巷两种方式；采空区的形成或者掘进巷道就是采空区内保持巷道或者处于稳定状态的、压实后采空区新开挖巷道；留掘复合即沿空留巷和沿空掘巷的复合开采工艺。其中沿空留巷开采又可细分为有巷旁支护沿空留巷和无巷旁支护沿空留巷，沿空掘巷开采可细分为完全沿空掘巷、小煤柱沿空掘巷、巷旁填充沿空掘巷等方式[3]。因沿空留巷开采技术近年来发展成熟，已成为各煤矿普遍使用的巷道留设技术，施工中其巷道顶底板移进量整体较为稳定，围岩控制效果较好，本文根据该煤矿特点，重点介绍沿空留巷开采工艺及围岩控制技术。

3 沿空留巷围岩控制技术

沿空留巷围岩控制是由巷道内部的基本支护作为基础，同时加以巷内强化支护、巷旁支护与围岩卸压的来实现。这些支护措施控制了围岩在不同时空的变形和破坏。对沿空留巷围岩的控制设计必须系统、综合的将4 种方式结合并使其相互作用，从而尽可能的发挥出每一种支护措施的效果[4]。

3.1 巷内支护

使用锚杆锚索作为巷道内基础支护措施，其中锚杆直径19 mm，长度为250 cm，树脂材质锚固，强度较高；锚索直径18.2 mm，长度为730 cm，树脂材质锚固，结构为1*19。帮锚杆与顶锚杆间/排距分别为800 mm/900 mm、900 mm/900 mm，顶锚索相距180cm布设一根，同排3 跟，使用W 钢带交错排布，强化支护。

3.2 巷旁支护

该煤矿具有瓦斯含量较高、煤层较厚的特点，在开采过程中除巷内支护外，还应使用沿空留巷旁支护。巷旁支护有柱式、垛式、墙式、锚注式等支护方式，其中墙式支护具有增阻速率高、稳定性强等特点，且适用于厚煤层，因此在该煤矿工作面采用墙式巷旁支护。

墙式巷旁支护通常采用混凝土填充，在该煤矿中为进一步提高稳定性，将钢带支架交错排布在混凝土填充袋中，在外部采用预应力对拉锚杆、钢筋网和钢筋托梁进行护表。在填充混凝土后，因收到内部与外部双向约束力，该墙体破坏模式发生改变，承载力与抗变形力有着明显提高。支护墙体使用B50 混凝土，厚度100 cm，对拉锚杆直径18.2 mm，长度为120 cm，间/排距分别为800 mm/800 mm，填充袋内部的钢带支架使用直径为6 mm 的钢筋网捆绑扎紧形成。该墙体混凝土终凝强度超出42 MPa。墙式巷旁支护结构示意图，如图2 所示。

图2 混凝土墙式巷旁支护结构示意图

3.3 水力压裂泄压

结合该煤矿瓦斯抽采孔分布位置与巷道顶板岩层分布，采取水平长钻孔水力压裂与瓦斯抽采共用钻孔卸压布置方法。利用瓦斯抽采孔对巷道顶板岩层实现逐级压裂，使得顶板岩层内部出现联通缝隙，降低垮落难度，但应注意在压裂过程中不可以影响到瓦斯抽采效果[5]。

3202 工作面长度为970 m，运输巷回采帮布置2 个钻孔，各设5 个采气井，示意图如图3 所示。调整原有瓦斯抽采孔的层位，将1、5 孔层高从30 m 调整到28、15 m，与巷帮间距10、8 m，其余的孔都在30 m以上，间隔10 m。选择1、2、5#孔进行压裂，3、4 孔不压裂，3 孔压裂后，采用“两堵一注”封孔工艺，实现瓦斯抽放。

图3 3202 工作面水力压裂泄压布设钻孔示意图

4 试验效果分析

对该煤矿3202 工作面实施沿空留巷围岩控制后，及时监测运输巷留巷作业还有重复使用环节围岩变形情况。结果发现，顶板下沉量的范围在100～210 mm，最大下沉量为210 mm，水泥墙侧位移20 mm，煤柱一侧位移110 mm，断口收敛13%，无需实施维护，已经达到重复使用要求。

在重复使用环节，50 m 煤巷的围岩变形逐步大幅增加，20 m 超前液压支架处的最大沉降量为60 mm，最大下沉量为30 mm，回采一侧最大位移为18 mm，墙侧偏移为20 mm。在20 m 超前支护段中，受到先导支护的影响，巷道没有出现较大变形。因为填充墙偏窄，进入采空区后有倾覆与破碎的现象，所以会加速顶板崩塌，且下煤层开采环节不会产生应力过于集中的问题。

总得来说，运输巷在留巷、复用全服务期间内断面收缩率较小，顶板、煤帮及混凝土墙体稳定，达到通风以及运输要求。