高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

于健浩，刘鹏亮，崔 锋

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100014；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

近年来，随着煤炭资源开采强度的提升，许多煤矿面临资源枯竭问题，为了尽可能多的回收煤炭资源，开始尝试小煤柱开采技术。但由于煤柱宽度的减小，导致应力集中程度升高，巷道围岩稳定性变差，临空巷道变形量显著增大[1，2]，围岩稳定性控制是影响小煤柱护巷成功与否的关键[3，4]。国内学者针对临空巷道围岩稳定性开展了大量研究工作，取得了丰硕的应用研究成果[5-8]。

为了提高资源回收率，大力推广小(无)煤柱开采技术，将小(无)煤柱开采技术推广作为重点工作，山西三元福达煤矿成为首批开展小煤柱技术应用试点。本研究针对福达煤矿15#煤层5 m小煤柱护巷技术[9]，结合煤层赋存条件，通过实验室试验、现场试验、理论分析及数值模拟等方法，针对巷道应力高、煤柱帮稳定性差、煤柱内遗留钻场空区等影响巷道围岩稳定性的关键问题，采用定向水力压裂卸压、巷道支护参数优化、隐蔽钻场注高水材料充填等技术手段，达到降低临空巷道应力、提升小煤柱承载能力的目的，最终实现小煤柱巷道掘进及回采期间的围岩稳定。

1 项目概况

1.1 工作面概况

山西三元福达煤矿位于山西省武乡县墨镫乡，设计生产能力120万t/a，目前回采二水平15#煤层，15202工作面位于二采区，工作面煤层平均厚度4.7 m，赋存稳定，含1层0.2 m夹矸，煤层倾角9°～15°，平均11°，平均埋深532.77 m。煤层顶板以砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩为主，基本顶上方有一层厚度5 m左右K2石灰岩，底板以含铝泥岩和砂岩为主，煤层顶底板条件见表1。15202工作面西侧为接续的15204工作面，东侧为15103工作面采空区，工作面位置关系如图1所示。

图1 工作面位置关系

表1 煤层顶板情况

通过对福达煤矿15#煤层采矿地质条件进行分析，总结影响小煤柱巷道围岩稳定性的主要问题：

1)地应力水平高。福达煤矿15#煤层埋藏深度超过500 m，地应力水平高，最大水平主应力达到18.1 MPa，方向北偏西41.6°，与巷道走向方向基本垂直，垂直主应力为11.8 MPa，易导致临空巷道长期处于高应力环境，不利于巷道维护。

2)巷道围岩稳定性差。根据15#煤层工作面开采经验，临空巷道变形量大，外帮移近量十分明显，最大移近量达到2 m，且煤壁破碎，巷道掘进过程中存在高应力区，发生断锚现象，对巷道围岩安全构成严重影响。

3)遗留钻场空区影响小煤柱稳定性。由于福达煤矿为高瓦斯矿井，15202工作面回采期间，在15202运输巷外帮施工了12个瓦斯钻场。待相邻15204工作面沿空掘巷时，这些遗留钻场空区将进一步降低小煤柱宽度，最窄位置仅1.5 m，严重威胁15204回风巷掘进及15204工作面回采作业安全。

1.2 实验室及现场试验研究

1.2.1 煤岩强度测试

为了满足煤岩强度测试要求，项目组分三次对煤层顶板、煤层及底板进行取样，顶板岩层采用取芯钻取样，煤层及底板采用大块取样，取样位置及层位如图2所示。

图2 煤岩取样位置

1)2021年1月在三元福达煤矿15202运输巷距终采线140 m取样，采用“地质钻机+取芯钻杆”垂直顶板取芯，取芯高度20 m，由于直接顶岩层破碎，首次取芯量较少，取芯高度分别为顶板上方10 m、11 m、18 m层位，首次试验完成了破断及抗压强度试验。

2)由于顶板岩样不足，2021年2月在工作面终采线附近进行二次取样，共取芯8段，取芯高度位于顶板上方15 m、18 m、20 m层位，岩芯数量基本满足抗拉、抗剪试验量要求。

3)2021年3月在福达煤矿15203运输巷联络巷绕道对15号煤层及底板进行取样，共取得煤样7块，底板岩层4块，长、宽、高最短尺寸均大于25 cm，无明显裂隙发育，满足物理力学试验要求。

15#煤层及顶底板试样力学性质测定结果见表2，抗剪强度测定结果见表3。

表2 煤岩试样力学性质测试结果

表3 煤岩试样抗剪切强度测试结果

1.2.2 顶板结构观测

采用钻孔窥视技术对15204回风巷顶板结构进行了窥视。由窥视结果可知，孔口0～3.8 m为砂质泥岩，受采动影响围岩整体性较差，局部破碎，裂隙发育明显；3.8～6.6 m为粉砂岩，围岩完整性相对较好，局部裂隙发育；6.6～12.4 m为细粒砂岩，节理裂隙局部发育，整体完整性较好；12.4～17.6 m为砂质泥岩、泥岩层位，裂隙较发育；17.6～22.1 m为K2石灰岩，局部裂隙发育，完整性好，硬度高。K2石灰岩层钻进效率低，表明岩石质地坚硬、致密均匀，该层位除了有个别细小裂隙外，基本无较大裂隙和破碎带，细粒砂岩层位存在较少裂隙发育，整体完整性较好。

2 小煤柱侧向水力压裂卸压技术

2.1 压裂层位确定

采用水力压裂弱化煤柱侧向悬顶是释放煤柱侧向压力的重要方式，钻孔布置参数及压裂质量是卸压效果能否达到预期的关键。针对福达煤矿15#煤层赋存条件，煤层上方赋存两层坚硬中厚层状顶板，分别是位于煤层上方7 m、16 m高的细粒砂岩和K2石灰岩顶板，根据煤岩强度测试及顶板结构钻孔窥视结果，其抗压强度分别为45.57 MPa和78.78 MPa，属半坚硬-坚硬岩层，且鲜有裂隙发育，完整性较好。由于15#煤层平均厚度4.7 m，预计垮落带高度约16～18 m，两层坚硬顶板均位于垮落带范围内，工作面采后容易在运巷三角区形成较大范围悬顶，导致煤柱应力升高[10，11]。因此，主要压裂层位选择细粒砂岩和K2石灰岩层位，压裂层位如图3所示。

图3 水力压裂层位

2.2 水力压裂技术方案

为保证临空小煤柱巷道围岩稳定性，保证小煤柱及巷道安全，采用水力压裂侧向切顶卸压技术对煤柱上方顶板集中应力进行卸荷，降低小煤柱及临空巷道的整体应力水平[12-15]。项目研究期间，15202工作面已进入末采阶段，剩余可采长度约150 m，由于15204回风巷尚未开口，为了降低该巷掘进期间侧向压力，达到最佳卸压效果，针对15202运输巷剩余150 m首先开展水力压裂试验工作，待15204回风巷开始掘进后，在距掘进工作面后方50 m位置紧跟迎头对采空区一侧顶板进行水力压裂弱化。水力压裂钻孔施工及压裂参数见表4。钻孔布置方案如图4所示。

图4 水力压裂方案

表4 水力压裂参数

2.3 水力压裂卸压效果分析

项目组于2021年3月开展水力压裂卸压现场试验，2022年5月完成所有压裂工作，15202运输巷共施工压裂钻孔37个，钻孔进尺1202 m，压裂总次数314次；15204回风巷施工钻孔232个，钻孔总进尺7539 m，压裂次数1947次。15202运输巷已压裂区域，在15204回风巷不进行重复压裂。水力压裂前后裂隙发育对比如图5所示，每个钻孔压裂次数基本保持在8～9次，各孔最大压力均值22.3 MPa，峰值压力为26.5 MPa，表明在水压及供水正常情况下，钻孔起裂压力较高。

图5 水力压裂前后裂隙发育对比

分析压裂前后钻孔内裂隙扩展情况可以看出，水力压裂施工后，孔内原生裂隙均产生了不同程度的扩展，原生裂缝宽度明显加大，使得其孔隙度和渗透率明显增加。根据钻孔窥视结果发现，裂隙的密度增大，表明原有细小裂缝，在压裂过程中受高压水的挤压作用逐渐张开，对顶板完整性的破坏作用显著。

3 临空巷道围岩稳定性控制技术

15204回风巷采用沿空掘巷技术，为倒梯形断面，巷道宽度5 m，上帮巷高4.5 m，下帮3.5 m，虽采用水力压裂对煤柱采空区一侧顶板进行预裂，降低其悬顶范围，减轻覆岩对煤柱的整体载荷。但由于煤柱宽度仅5 m，为了保证巷道围岩稳定性，需对该巷道进支护方案进行优化，并对煤柱破碎区进行注浆加固[15]。

3.1 临空巷道支护方案优化

通过对原有支护方案进行分析发现，该方案存在以下问题：

1)巷道上帮支护强度较低，无法有效控制煤柱变形。

2)两帮采用H型钢带护表，护表范围小，巷道表面控制能力较弱。

3)锚索长度较短，且支护密度较低，导致支护体系对顶板的悬吊能力降低。

4)数值模拟结果显示，上帮帮角处应力集中，需进行加强支护。

基于以上问题，优化支护方案，分别对锚杆、锚索材质，锚杆、锚索间排距，以及护表构件和表面喷浆等工艺进行了优化[16，17]，优化前后巷道支护参数对比见表5。

表5 优化临空巷道支护参数对比

3.2 煤柱破碎区注浆加固方案

由于煤柱尺寸较小，存在煤柱破碎导致采空区漏风的可能，在巷道掘进过程中，遇破碎段需配合注浆加固措施。首先对破碎煤壁进行常规支护，而后在煤壁表面喷50 mm厚水泥浆材料，标号C20，待喷浆凝固后形成止浆混凝土，垂直煤壁距底板2 m处(可根据煤壁破碎位置调整钻孔高度)打设1.5 m深钻孔注水泥浆材料，钻孔间距3 m，止浆砼可以有效避免浆液外渗，从而填补煤柱裂隙，并提供煤柱的承载力，能够有效控制煤柱进一步变形破坏。注浆加固方案如图6所示。

图6 巷道破碎区注浆加固方案

3.3 巷道围岩控制效果分析

为了监测巷道变形情况，分别在15202运输巷、15204回风巷布置三组矿压观测设备，15202运输巷距工作面终采线50 m、15204回风巷距初切眼65 m、200 m布置三组巷道矿压观测集中测站，用于观测锚杆应力和煤柱应力。同时在15204回风巷每隔50 m布置一组十字测站，监测两帮及顶底板移近量。三组测站矿压设备布置情况见表6。

表6 巷道矿压设备布置情况

分析巷道矿压监测数据得出如下结论：顶锚杆应力水平高于帮锚杆，顶板锚杆应力峰值为108 kN，帮锚杆应力峰值为86 kN，均远低于锚杆的屈服载荷。由煤体应力分析结果可知，煤体应力安装初期，由于距离工作面较远，煤体应力增长速度较小，待进入超前支护范围时，应力逐渐升高，最大应力为11.3 MPa，小煤柱整体应力水平较低，破碎区注浆加固后，具备一定的承载能力；基于十字测站观测结果，巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内，巷道收缩量较小，围岩整体稳定性较好。

4 小煤柱隐蔽钻场充填

4.1 隐蔽钻场充填技术方案

15202运输巷外侧，靠近15204回风巷侧，即小煤柱内遗留12个瓦斯钻场，钻场尺寸为：长×深×高=5 m×3.5 m×(3～3.5)m，钻场所在位置煤柱最薄处仅1.5 m。为了保证瓦斯钻场周边小煤柱的稳定性，需要对钻场进行充填处理[18，19]。

由于15204回风巷掘进期间，15202工作面回采已接近尾声，钻场充填属于隐蔽工程，需在15204回风巷内实施。为确保15204回风巷反掘作业安全，对钻场采取超前预充填和揭露后二次充填。超前预充填在即将掘进至钻场时实施，目的是核实钻场位置，同时提前充填，初步增强钻场煤壁稳固性。待揭露钻场后，正对钻场位置实施二次充填，目的是尽可能将钻场充满，达到加固钻场煤壁、隔绝采空区的目的，充填材料选用高水材料[20]。充填钻孔布置方案如图7所示。

图7 隐蔽钻场充填钻孔布置方案

4.2 钻场充填效果分析

实际充填过程中，选用水灰比3∶1的配比方案，高水材料累计充填体积682.9 m3，高水充填材料消耗量212 t。根据充填现场观测情况来看，充填效果较好，每个钻场充填均出现返浆后方停止注浆，钻场充填情况如图8所示。通过分析原有钻场参数可知，每个钻场平均空间体积约52.5 m3，12个钻场总体积为630 m3，由于个别钻场顶板下沉或煤壁片帮，钻场体积相应减小，实际需充填体积应小于630 m3，而实际充填体积达到682.9 m3，除去个别钻场浆液外溢情况，整体充填率较高，实际充填率达到90%以上，充填后煤柱侧煤壁平整，未出现大范围片帮，残留1.5 m煤柱稳定性较好，达到了预期充填效果。

图8 钻场充填现场方案

5 结 论

1)开展了15#煤层煤岩物理力学测试、顶板结构观测等实验工作，结果表明：直接顶砂质泥岩及其上方粉砂岩节理裂隙发育，围岩整体性较弱，基本顶细粒砂岩和K2石灰岩强度较高，裂隙不发育，是造成采空区侧向悬顶、煤柱应力升高的主要原因。

2)针对福达煤矿15#煤层高地应力、围岩稳定性差、煤柱内遗留钻场空区等问题，制定了煤柱侧向水力压裂卸压、巷道支护方案优化、煤柱隐蔽钻场充填等技术方案，并开展现场应用，观测结果表明：水力压裂后，顶板原生裂隙得到有效扩展，坚硬顶板整体性得以弱化；调整临空巷道支护方案，巷道围岩稳定性提高；隐蔽钻场充填能够有效控制煤柱帮煤壁变形，降低了煤壁片帮沟通采空区的风险。