頁巖氣勘探開發(fā)的難點(diǎn)與新技術(shù)發(fā)展方向

我國煤礦開采廣泛運(yùn)用“121”長壁采煤法即：回采一個(gè)工作面，掘進(jìn)兩條煤巷，留設(shè)一個(gè)區(qū)段煤柱[1];而沿空掘巷的關(guān)鍵是將巷道置于應(yīng)力相對較低的區(qū)域，則需確定合理煤柱寬度[2-4];且對其進(jìn)行有效支護(hù)來控制變形及頂板離層。在上區(qū)段工作面回采后，覆巖冒落及運(yùn)移，使相鄰采空區(qū)產(chǎn)生側(cè)向支承壓力，引起回采巷道沿空掘進(jìn)位于上一采空區(qū)頂板斷裂形成的應(yīng)力集中區(qū)[5-7]，造成施工巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的滯后性變形，后續(xù)二次補(bǔ)強(qiáng)及修復(fù)工作量大，成本高，效果差。通過對沿空掘巷小煤柱合理寬度留設(shè)及其支護(hù)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化、試驗(yàn)、分析，提出一種適合小煤柱沿空掘巷“錨-網(wǎng)-索-梁-注”聯(lián)合加固支護(hù)技術(shù)方案，以“錨網(wǎng)索梁”支護(hù)為主，滯后掘進(jìn)工作面60～80m對小煤柱施工注漿加固，解決了小煤柱沿空掘巷支護(hù)難題，有效控制巷道變形，為同類巷道施工提供前期實(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用背景，具有理論借鑒意義。 　　高幫支護(hù)：風(fēng)巷高幫采用橫向錨索梁及豎向錨索梁配合，并噴注漿的形式進(jìn)行加固;高幫布置5根Φ22mm×2600mm錨桿配合M5型鋼帶支護(hù)，螺母擰緊力矩300N·m，錨固力不低于80kN，藥卷4～5根，采用全長錨固，錨固劑型號：K2950/Z2950，施工錨桿時(shí)每2排在第1、3、5根錨桿設(shè)置加注裝置;錨索布置4根配合T2型鋼帶以及走向槽鋼錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格從肩窩至幫部依次為：Φ21.8mm×7300mm、Φ21.8mm×6300mm、Φ21.8mm×3100mm、Φ21.8mm
　　×3100mm，錨固力不低于200kN，預(yù)緊力不低于100kN，錨索間沿垂直方向布置錨索梁加固（可用14#槽鋼L=2600mm），錨索間沿走向布置錨索梁加固（可用14#槽鋼L=3600mm），橫向鋼帶錨索梁為2排，分別距頂板1.0m及2.2m，上部錨索仰角60°，錨索梁采用先走向后豎向的順序加固后噴漿，利用加注錨桿進(jìn)行注漿;噴漿滯后迎頭不大于30m，注漿滯后迎頭不大于80m。見圖5所示。
　　低幫支護(hù)：風(fēng)巷低幫側(cè)布置3根Φ22mm×2600mm錨桿配合M5型鋼帶支護(hù)，螺母擰緊力矩300N·m，錨固力不低于80kN，藥卷4～5根，采用全長錨固，錨固劑型號：K2950/Z2950;距頂板1.5m處布置1排走向錨索Φ21.8mm×3100mm配合錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，錨固力不低于200kN，預(yù)緊力不低于100kN，錨索間沿巷道走向方向布置錨索梁加固（可用14#槽鋼L=3600mm）。見圖6所示。
　　綜上，提出了3238工作面風(fēng)巷“錨-網(wǎng)-索-梁-注”聯(lián)合支護(hù)形式，如圖7所示。
　　3.2 小煤柱沿空掘巷注漿加固方案優(yōu)化
　　通過觀測分析，3238風(fēng)巷沿空側(cè)幫部變形較大，初次支護(hù)不能滿足巷道支護(hù)要求，究其原因，3238風(fēng)巷過老空區(qū)長期受積水區(qū)影響的小煤柱期間，煤壁受潮，部分錨桿拉拔力不足，后路槽鋼梁中部受擠壓變形凸出，對此，采取錨注裝置進(jìn)行后路補(bǔ)強(qiáng)加固，對小煤柱進(jìn)行注漿加固。
　　3.2.1 注漿材料選擇
　　對不同類型注漿材料進(jìn)行分析，選擇合理的注漿材料。水泥類型及標(biāo)號為注漿材料制作的型煤試樣單軸壓縮力學(xué)測試結(jié)果曲線如圖8所示。
　　分析可知，不同水泥類型、標(biāo)號對型煤試件強(qiáng)度影響顯著，說明注漿材料的選擇對煤巖體注漿加固效果起決定性作用。分析可知，在相同的水灰比、試驗(yàn)條件下，礦用煤柱注漿專用水泥制備的型煤單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)1.11MPa，較普通硅酸鹽水泥標(biāo)號325、425、525分別提高0.775MPa、0.69MPa和0.56MPa。選擇自行研制的礦用煤柱注漿專用水泥（新型注漿加固材料）作為注漿材料較其它水泥類型、標(biāo)號制備的型煤強(qiáng)度更高。
　　3.2.2 注漿加固時(shí)機(jī)與范圍
　　為了進(jìn)一步確定注漿加固時(shí)機(jī)與范圍，用鉆孔窺視儀在距3238掘進(jìn)頭分別為50m、60m、70m、80m處對煤柱側(cè)進(jìn)行窺視，觀測其破碎程度，窺視結(jié)果見圖9。
　　由鉆孔窺視結(jié)果可知，在距掘進(jìn)頭60m范圍內(nèi)煤柱內(nèi)裂隙尚未發(fā)育完全，煤體較為完整，距掘進(jìn)頭70m，80m處煤體破碎，進(jìn)行注漿漿液可更好地滲透進(jìn)入裂隙中，采用的礦用煤柱注漿專用水泥顆粒小、凝固速度快，可在短時(shí)間內(nèi)滲入裂隙并凝固，提升煤柱的承載能力。
　　結(jié)合掘進(jìn)施工日進(jìn)尺情況與窺視結(jié)果可知，在3238風(fēng)巷掘進(jìn)15～20天時(shí)（距掘進(jìn)頭60～80m）進(jìn)行注漿可最大程度地發(fā)揮礦用煤柱注漿加固效果。
　　為提高圍巖強(qiáng)度，防止片幫、漏頂對巷道表面進(jìn)行噴漿;噴漿厚度不小于50mm，以不漏漿為準(zhǔn)，強(qiáng)度不低于C20，噴漿滯后迎頭不大于30m。小煤柱側(cè)注漿滯后迎頭80m，注漿孔孔深2m，間排距2m（或可根據(jù)現(xiàn)場注漿時(shí)擴(kuò)散半徑適當(dāng)調(diào)整，確保設(shè)計(jì)的注漿孔間排距均在擴(kuò)散半徑之內(nèi)）。注漿孔采用三花眼布置方式，三個(gè)注漿孔距頂板距離分別為300mm、1800mm、3300mm，固管總長度1m，其中花管0.5m，直徑為4′鋼管加工，端頭外露30mm-100mm。采用間隔注漿方式循環(huán)注漿，如圖10所示。
　　采用間隔注漿方式循環(huán)注漿，為了便于施工，具體位置可根據(jù)現(xiàn)場管路情況適當(dāng)調(diào)整如圖11所示。
　　注漿按照先錨注裝置后注漿管注漿，循環(huán)進(jìn)度30m，交替施工;注漿順序由下向上施工，且巷道內(nèi)注漿隨著工作面的推進(jìn)不斷推進(jìn)做到“隨掘隨注”。
　　4 現(xiàn)場應(yīng)用效果監(jiān)測
　　根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行現(xiàn)場施工并對巷道表面位移、錨桿受力狀態(tài)及頂板離層等進(jìn)行監(jiān)測，以便掌握錨桿承載工況，圍巖變形特征以及巷道支護(hù)狀況，同時(shí)為支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、調(diào)整提供依據(jù)。每個(gè)測站內(nèi)布置3處表面觀測點(diǎn)、1處深孔位移監(jiān)測點(diǎn)、1處錨桿（索）應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。
　　4.1 巷道表面位移分析
　　由圖12可知，1#、2#測點(diǎn)在巷道掘進(jìn)1～4天、距離迎頭25m內(nèi)，煤柱幫、實(shí)體煤幫及頂板圍巖移近量較大。1#測點(diǎn)移近量分別為90mm、53mm、33mm，分別占總移近量的64.3%、70.7%、82.5%;2#測點(diǎn)移近量分別為55mm、52mm、34mm，分別占總變形量的56.7%、76.5%、68%。開挖5～20天緩慢增加，20天以后處于穩(wěn)定狀態(tài)。1#測點(diǎn)煤柱幫、實(shí)體煤幫、頂板最終位移量分別為140mm、75mm、40mm：2#測點(diǎn)煤柱幫、實(shí)體煤幫、頂板最終位移量分別為97mm、68mm、50mm。巷道變形量均在合理范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。
　　4.2 巷道錨桿受力分析
　　由圖13可知，1#、2#測點(diǎn)在巷道掘進(jìn)1～6天，錨桿受力增加較快，7～20天緩慢增加，20天以后逐漸穩(wěn)定。1#測點(diǎn)煤柱幫、實(shí)體煤幫錨桿受力最終穩(wěn)定在93kN、138kN，2#測點(diǎn)煤柱幫、實(shí)體煤幫錨桿受力最終穩(wěn)定在90kN、134kN。錨桿受力與圍巖變形密切相關(guān)。巷道開挖初期應(yīng)力重新調(diào)整，錨桿受力增長較快;隨后圍巖與支護(hù)體相互作用，錨桿受力緩慢增加;錨桿受力穩(wěn)步增長并最終穩(wěn)定;表明巷道支護(hù)較好并能提供穩(wěn)定的承載力，支護(hù)達(dá)到預(yù)期效果。 　　4.3 巷道頂板離層分析
　　由圖14可知，1#、2#測點(diǎn)巷道掘進(jìn)1～6天，頂板圍巖離層較大，7～20天離層量緩慢增加，20天以后逐漸穩(wěn)定。1#測點(diǎn)淺部范圍內(nèi)總離層量36.4mm，深部范圍內(nèi)總離層量26.1mm;2#測點(diǎn)淺部范圍內(nèi)總離層量49.2mm，深部范圍內(nèi)總離層量25.1mm。離層量在開挖初期變化較大，中間緩慢增加，后期逐漸趨于穩(wěn)定，與巷道表面圍巖變化規(guī)律類似，說明圍巖應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，支護(hù)取得預(yù)期效果。圍巖內(nèi)淺部圍巖離層量較大，深部圍巖離層量較小，說明松動(dòng)圈的擴(kuò)展得到了有效控制。有效避免了小煤柱沿空掘巷掘后翻修的情況，巷道斷面符合要求。
　　5 結(jié)論
　?。?）基于小煤柱沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，將沿空掘巷巷道布設(shè)在應(yīng)力降低區(qū)，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬等方法初步確定許疃煤礦3238工作面沿空掘巷巷道小煤柱寬度留設(shè)為5m。
　?。?）小煤柱沿空掘巷采用注漿加固技術(shù)進(jìn)行施工，可顯著加固巷道，取得較好支護(hù)效果;注漿加固利用漿液封堵煤柱裂隙，消除瓦斯外溢，防止圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步弱化，同時(shí)固化后的漿液將破碎的煤巖體膠結(jié)成整體，提高煤巖體力學(xué)性能;“錨-網(wǎng)-索-梁”支護(hù)對小煤柱淺部圍巖強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化，提供側(cè)向約束力，減小巷道收斂變形。
　?。?）現(xiàn)場應(yīng)用工業(yè)性試驗(yàn)表明，對于沿空掘巷小煤柱的穩(wěn)定性控制，應(yīng)針對不同地質(zhì)條件采用針對性對策，對小煤柱進(jìn)行注漿加固和采取“錨-網(wǎng)-索-梁-注”聯(lián)合支護(hù)形式是合理的。現(xiàn)場監(jiān)測可知，在掘巷支護(hù)20天后實(shí)際變形量相對較小，圍巖整體及錨桿受力逐步趨于穩(wěn)定，且頂板離層量也在要求范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生較大的內(nèi)部破裂，可滿足安全生產(chǎn)要求。