于健浩，劉鵬亮，崔 鋒

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100014；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

近年來，隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的提升，許多煤礦面臨資源枯竭問題，為了盡可能多的回收煤炭資源，開始嘗試小煤柱開采技術(shù)。但由于煤柱寬度的減小，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度升高，巷道圍巖穩(wěn)定性變差，臨空巷道變形量顯著增大[1，2]，圍巖穩(wěn)定性控制是影響小煤柱護(hù)巷成功與否的關(guān)鍵[3，4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)臨空巷道圍巖穩(wěn)定性開展了大量研究工作，取得了豐碩的應(yīng)用研究成果[5-8]。

為了提高資源回收率，大力推廣小(無)煤柱開采技術(shù)，將小(無)煤柱開采技術(shù)推廣作為重點(diǎn)工作，山西三元福達(dá)煤礦成為首批開展小煤柱技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)。本研究針對(duì)福達(dá)煤礦15#煤層5 m小煤柱護(hù)巷技術(shù)[9]，結(jié)合煤層賦存條件，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬等方法，針對(duì)巷道應(yīng)力高、煤柱幫穩(wěn)定性差、煤柱內(nèi)遺留鉆場(chǎng)空區(qū)等影響巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，采用定向水力壓裂卸壓、巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、隱蔽鉆場(chǎng)注高水材料充填等技術(shù)手段，達(dá)到降低臨空巷道應(yīng)力、提升小煤柱承載能力的目的，最終實(shí)現(xiàn)小煤柱巷道掘進(jìn)及回采期間的圍巖穩(wěn)定。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工作面概況

山西三元福達(dá)煤礦位于山西省武鄉(xiāng)縣墨鐙鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，目前回采二水平15#煤層，15202工作面位于二采區(qū)，工作面煤層平均厚度4.7 m，賦存穩(wěn)定，含1層0.2 m夾矸，煤層傾角9°～15°，平均11°，平均埋深532.77 m。煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主，基本頂上方有一層厚度5 m左右K2石灰?guī)r，底板以含鋁泥巖和砂巖為主，煤層頂?shù)装鍡l件見表1。15202工作面西側(cè)為接續(xù)的15204工作面，東側(cè)為15103工作面采空區(qū)，工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

表1 煤層頂板情況

通過對(duì)福達(dá)煤礦15#煤層采礦地質(zhì)條件進(jìn)行分析，總結(jié)影響小煤柱巷道圍巖穩(wěn)定性的主要問題：

1)地應(yīng)力水平高。福達(dá)煤礦15#煤層埋藏深度超過500 m，地應(yīng)力水平高，最大水平主應(yīng)力達(dá)到18.1 MPa，方向北偏西41.6°，與巷道走向方向基本垂直，垂直主應(yīng)力為11.8 MPa，易導(dǎo)致臨空巷道長(zhǎng)期處于高應(yīng)力環(huán)境，不利于巷道維護(hù)。

2)巷道圍巖穩(wěn)定性差。根據(jù)15#煤層工作面開采經(jīng)驗(yàn)，臨空巷道變形量大，外幫移近量十分明顯，最大移近量達(dá)到2 m，且煤壁破碎，巷道掘進(jìn)過程中存在高應(yīng)力區(qū)，發(fā)生斷錨現(xiàn)象，對(duì)巷道圍巖安全構(gòu)成嚴(yán)重影響。

3)遺留鉆場(chǎng)空區(qū)影響小煤柱穩(wěn)定性。由于福達(dá)煤礦為高瓦斯礦井，15202工作面回采期間，在15202運(yùn)輸巷外幫施工了12個(gè)瓦斯鉆場(chǎng)。待相鄰15204工作面沿空掘巷時(shí)，這些遺留鉆場(chǎng)空區(qū)將進(jìn)一步降低小煤柱寬度，最窄位置僅1.5 m，嚴(yán)重威脅15204回風(fēng)巷掘進(jìn)及15204工作面回采作業(yè)安全。

1.2 實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

1.2.1 煤巖強(qiáng)度測(cè)試

為了滿足煤巖強(qiáng)度測(cè)試要求，項(xiàng)目組分三次對(duì)煤層頂板、煤層及底板進(jìn)行取樣，頂板巖層采用取芯鉆取樣，煤層及底板采用大塊取樣，取樣位置及層位如圖2所示。

圖2 煤巖取樣位置

1)2021年1月在三元福達(dá)煤礦15202運(yùn)輸巷距終采線140 m取樣，采用“地質(zhì)鉆機(jī)+取芯鉆桿”垂直頂板取芯，取芯高度20 m，由于直接頂巖層破碎，首次取芯量較少，取芯高度分別為頂板上方10 m、11 m、18 m層位，首次試驗(yàn)完成了破斷及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2)由于頂板巖樣不足，2021年2月在工作面終采線附近進(jìn)行二次取樣，共取芯8段，取芯高度位于頂板上方15 m、18 m、20 m層位，巖芯數(shù)量基本滿足抗拉、抗剪試驗(yàn)量要求。

3)2021年3月在福達(dá)煤礦15203運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷繞道對(duì)15號(hào)煤層及底板進(jìn)行取樣，共取得煤樣7塊，底板巖層4塊，長(zhǎng)、寬、高最短尺寸均大于25 cm，無明顯裂隙發(fā)育，滿足物理力學(xué)試驗(yàn)要求。

15#煤層及頂?shù)装逶嚇恿W(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見表2，抗剪強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見表3。

表2 煤巖試樣力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

表3 煤巖試樣抗剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

1.2.2 頂板結(jié)構(gòu)觀測(cè)

采用鉆孔窺視技術(shù)對(duì)15204回風(fēng)巷頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了窺視。由窺視結(jié)果可知，孔口0～3.8 m為砂質(zhì)泥巖，受采動(dòng)影響圍巖整體性較差，局部破碎，裂隙發(fā)育明顯；3.8～6.6 m為粉砂巖，圍巖完整性相對(duì)較好，局部裂隙發(fā)育；6.6～12.4 m為細(xì)粒砂巖，節(jié)理裂隙局部發(fā)育，整體完整性較好；12.4～17.6 m為砂質(zhì)泥巖、泥巖層位，裂隙較發(fā)育；17.6～22.1 m為K2石灰?guī)r，局部裂隙發(fā)育，完整性好，硬度高。K2石灰?guī)r層鉆進(jìn)效率低，表明巖石質(zhì)地堅(jiān)硬、致密均勻，該層位除了有個(gè)別細(xì)小裂隙外，基本無較大裂隙和破碎帶，細(xì)粒砂巖層位存在較少裂隙發(fā)育，整體完整性較好。

2 小煤柱側(cè)向水力壓裂卸壓技術(shù)

2.1 壓裂層位確定

采用水力壓裂弱化煤柱側(cè)向懸頂是釋放煤柱側(cè)向壓力的重要方式，鉆孔布置參數(shù)及壓裂質(zhì)量是卸壓效果能否達(dá)到預(yù)期的關(guān)鍵。針對(duì)福達(dá)煤礦15#煤層賦存條件，煤層上方賦存兩層堅(jiān)硬中厚層狀頂板，分別是位于煤層上方7 m、16 m高的細(xì)粒砂巖和K2石灰?guī)r頂板，根據(jù)煤巖強(qiáng)度測(cè)試及頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視結(jié)果，其抗壓強(qiáng)度分別為45.57 MPa和78.78 MPa，屬半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖層，且鮮有裂隙發(fā)育，完整性較好。由于15#煤層平均厚度4.7 m，預(yù)計(jì)垮落帶高度約16～18 m，兩層堅(jiān)硬頂板均位于垮落帶范圍內(nèi)，工作面采后容易在運(yùn)巷三角區(qū)形成較大范圍懸頂，導(dǎo)致煤柱應(yīng)力升高[10，11]。因此，主要壓裂層位選擇細(xì)粒砂巖和K2石灰?guī)r層位，壓裂層位如圖3所示。

圖3 水力壓裂層位

2.2 水力壓裂技術(shù)方案

為保證臨空小煤柱巷道圍巖穩(wěn)定性，保證小煤柱及巷道安全，采用水力壓裂側(cè)向切頂卸壓技術(shù)對(duì)煤柱上方頂板集中應(yīng)力進(jìn)行卸荷，降低小煤柱及臨空巷道的整體應(yīng)力水平[12-15]。項(xiàng)目研究期間，15202工作面已進(jìn)入末采階段，剩余可采長(zhǎng)度約150 m，由于15204回風(fēng)巷尚未開口，為了降低該巷掘進(jìn)期間側(cè)向壓力，達(dá)到最佳卸壓效果，針對(duì)15202運(yùn)輸巷剩余150 m首先開展水力壓裂試驗(yàn)工作，待15204回風(fēng)巷開始掘進(jìn)后，在距掘進(jìn)工作面后方50 m位置緊跟迎頭對(duì)采空區(qū)一側(cè)頂板進(jìn)行水力壓裂弱化。水力壓裂鉆孔施工及壓裂參數(shù)見表4。鉆孔布置方案如圖4所示。

圖4 水力壓裂方案

表4 水力壓裂參數(shù)

2.3 水力壓裂卸壓效果分析

項(xiàng)目組于2021年3月開展水力壓裂卸壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，2022年5月完成所有壓裂工作，15202運(yùn)輸巷共施工壓裂鉆孔37個(gè)，鉆孔進(jìn)尺1202 m，壓裂總次數(shù)314次；15204回風(fēng)巷施工鉆孔232個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺7539 m，壓裂次數(shù)1947次。15202運(yùn)輸巷已壓裂區(qū)域，在15204回風(fēng)巷不進(jìn)行重復(fù)壓裂。水力壓裂前后裂隙發(fā)育對(duì)比如圖5所示，每個(gè)鉆孔壓裂次數(shù)基本保持在8～9次，各孔最大壓力均值22.3 MPa，峰值壓力為26.5 MPa，表明在水壓及供水正常情況下，鉆孔起裂壓力較高。

圖5 水力壓裂前后裂隙發(fā)育對(duì)比

分析壓裂前后鉆孔內(nèi)裂隙擴(kuò)展情況可以看出，水力壓裂施工后，孔內(nèi)原生裂隙均產(chǎn)生了不同程度的擴(kuò)展，原生裂縫寬度明顯加大，使得其孔隙度和滲透率明顯增加。根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂隙的密度增大，表明原有細(xì)小裂縫，在壓裂過程中受高壓水的擠壓作用逐漸張開，對(duì)頂板完整性的破壞作用顯著。

3 臨空巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

15204回風(fēng)巷采用沿空掘巷技術(shù)，為倒梯形斷面，巷道寬度5 m，上幫巷高4.5 m，下幫3.5 m，雖采用水力壓裂對(duì)煤柱采空區(qū)一側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)裂，降低其懸頂范圍，減輕覆巖對(duì)煤柱的整體載荷。但由于煤柱寬度僅5 m，為了保證巷道圍巖穩(wěn)定性，需對(duì)該巷道進(jìn)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)煤柱破碎區(qū)進(jìn)行注漿加固[15]。

3.1 臨空巷道支護(hù)方案優(yōu)化

通過對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該方案存在以下問題：

1)巷道上幫支護(hù)強(qiáng)度較低，無法有效控制煤柱變形。

2)兩幫采用H型鋼帶護(hù)表，護(hù)表范圍小，巷道表面控制能力較弱。

3)錨索長(zhǎng)度較短，且支護(hù)密度較低，導(dǎo)致支護(hù)體系對(duì)頂板的懸吊能力降低。

4)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，上幫幫角處應(yīng)力集中，需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

基于以上問題，優(yōu)化支護(hù)方案，分別對(duì)錨桿、錨索材質(zhì)，錨桿、錨索間排距，以及護(hù)表構(gòu)件和表面噴漿等工藝進(jìn)行了優(yōu)化[16，17]，優(yōu)化前后巷道支護(hù)參數(shù)對(duì)比見表5。

表5 優(yōu)化臨空巷道支護(hù)參數(shù)對(duì)比

3.2 煤柱破碎區(qū)注漿加固方案

由于煤柱尺寸較小，存在煤柱破碎導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)的可能，在巷道掘進(jìn)過程中，遇破碎段需配合注漿加固措施。首先對(duì)破碎煤壁進(jìn)行常規(guī)支護(hù)，而后在煤壁表面噴50 mm厚水泥漿材料，標(biāo)號(hào)C20，待噴漿凝固后形成止?jié){混凝土，垂直煤壁距底板2 m處(可根據(jù)煤壁破碎位置調(diào)整鉆孔高度)打設(shè)1.5 m深鉆孔注水泥漿材料，鉆孔間距3 m，止?jié){砼可以有效避免漿液外滲，從而填補(bǔ)煤柱裂隙，并提供煤柱的承載力，能夠有效控制煤柱進(jìn)一步變形破壞。注漿加固方案如圖6所示。

圖6 巷道破碎區(qū)注漿加固方案

3.3 巷道圍巖控制效果分析

為了監(jiān)測(cè)巷道變形情況，分別在15202運(yùn)輸巷、15204回風(fēng)巷布置三組礦壓觀測(cè)設(shè)備，15202運(yùn)輸巷距工作面終采線50 m、15204回風(fēng)巷距初切眼65 m、200 m布置三組巷道礦壓觀測(cè)集中測(cè)站，用于觀測(cè)錨桿應(yīng)力和煤柱應(yīng)力。同時(shí)在15204回風(fēng)巷每隔50 m布置一組十字測(cè)站，監(jiān)測(cè)兩幫及頂?shù)装逡平俊ＨM測(cè)站礦壓設(shè)備布置情況見表6。

表6 巷道礦壓設(shè)備布置情況

分析巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：頂錨桿應(yīng)力水平高于幫錨桿，頂板錨桿應(yīng)力峰值為108 kN，幫錨桿應(yīng)力峰值為86 kN，均遠(yuǎn)低于錨桿的屈服載荷。由煤體應(yīng)力分析結(jié)果可知，煤體應(yīng)力安裝初期，由于距離工作面較遠(yuǎn)，煤體應(yīng)力增長(zhǎng)速度較小，待進(jìn)入超前支護(hù)范圍時(shí)，應(yīng)力逐漸升高，最大應(yīng)力為11.3 MPa，小煤柱整體應(yīng)力水平較低，破碎區(qū)注漿加固后，具備一定的承載能力；基于十字測(cè)站觀測(cè)結(jié)果，巷道兩幫及頂板下沉量均在可控范圍內(nèi)，巷道收縮量較小，圍巖整體穩(wěn)定性較好。

4 小煤柱隱蔽鉆場(chǎng)充填

4.1 隱蔽鉆場(chǎng)充填技術(shù)方案

15202運(yùn)輸巷外側(cè)，靠近15204回風(fēng)巷側(cè)，即小煤柱內(nèi)遺留12個(gè)瓦斯鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)尺寸為：長(zhǎng)×深×高=5 m×3.5 m×(3～3.5)m，鉆場(chǎng)所在位置煤柱最薄處僅1.5 m。為了保證瓦斯鉆場(chǎng)周邊小煤柱的穩(wěn)定性，需要對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行充填處理[18，19]。

由于15204回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，15202工作面回采已接近尾聲，鉆場(chǎng)充填屬于隱蔽工程，需在15204回風(fēng)巷內(nèi)實(shí)施。為確保15204回風(fēng)巷反掘作業(yè)安全，對(duì)鉆場(chǎng)采取超前預(yù)充填和揭露后二次充填。超前預(yù)充填在即將掘進(jìn)至鉆場(chǎng)時(shí)實(shí)施，目的是核實(shí)鉆場(chǎng)位置，同時(shí)提前充填，初步增強(qiáng)鉆場(chǎng)煤壁穩(wěn)固性。待揭露鉆場(chǎng)后，正對(duì)鉆場(chǎng)位置實(shí)施二次充填，目的是盡可能將鉆場(chǎng)充滿，達(dá)到加固鉆場(chǎng)煤壁、隔絕采空區(qū)的目的，充填材料選用高水材料[20]。充填鉆孔布置方案如圖7所示。

圖7 隱蔽鉆場(chǎng)充填鉆孔布置方案

4.2 鉆場(chǎng)充填效果分析

實(shí)際充填過程中，選用水灰比3∶1的配比方案，高水材料累計(jì)充填體積682.9 m3，高水充填材料消耗量212 t。根據(jù)充填現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況來看，充填效果較好，每個(gè)鉆場(chǎng)充填均出現(xiàn)返漿后方停止注漿，鉆場(chǎng)充填情況如圖8所示。通過分析原有鉆場(chǎng)參數(shù)可知，每個(gè)鉆場(chǎng)平均空間體積約52.5 m3，12個(gè)鉆場(chǎng)總體積為630 m3，由于個(gè)別鉆場(chǎng)頂板下沉或煤壁片幫，鉆場(chǎng)體積相應(yīng)減小，實(shí)際需充填體積應(yīng)小于630 m3，而實(shí)際充填體積達(dá)到682.9 m3，除去個(gè)別鉆場(chǎng)漿液外溢情況，整體充填率較高，實(shí)際充填率達(dá)到90%以上，充填后煤柱側(cè)煤壁平整，未出現(xiàn)大范圍片幫，殘留1.5 m煤柱穩(wěn)定性較好，達(dá)到了預(yù)期充填效果。

圖8 鉆場(chǎng)充填現(xiàn)場(chǎng)方案

5 結(jié) 論

1)開展了15#煤層煤巖物理力學(xué)測(cè)試、頂板結(jié)構(gòu)觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)果表明：直接頂砂質(zhì)泥巖及其上方粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖整體性較弱，基本頂細(xì)粒砂巖和K2石灰?guī)r強(qiáng)度較高，裂隙不發(fā)育，是造成采空區(qū)側(cè)向懸頂、煤柱應(yīng)力升高的主要原因。

2)針對(duì)福達(dá)煤礦15#煤層高地應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性差、煤柱內(nèi)遺留鉆場(chǎng)空區(qū)等問題，制定了煤柱側(cè)向水力壓裂卸壓、巷道支護(hù)方案優(yōu)化、煤柱隱蔽鉆場(chǎng)充填等技術(shù)方案，并開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，觀測(cè)結(jié)果表明：水力壓裂后，頂板原生裂隙得到有效擴(kuò)展，堅(jiān)硬頂板整體性得以弱化；調(diào)整臨空巷道支護(hù)方案，巷道圍巖穩(wěn)定性提高；隱蔽鉆場(chǎng)充填能夠有效控制煤柱幫煤壁變形，降低了煤壁片幫溝通采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。