页岩气勘探开发的难点与新技术发展方向

我国煤矿开采广泛运用“121”长壁采煤法即：回采一个工作面，掘进两条煤巷，留设一个区段煤柱[1];而沿空掘巷的关键是将巷道置于应力相对较低的区域，则需确定合理煤柱宽度[2-4];且对其进行有效支护来控制变形及顶板离层。在上区段工作面回采后，覆岩冒落及运移，使相邻采空区产生侧向支承压力，引起回采巷道沿空掘进位于上一采空区顶板断裂形成的应力集中区[5-7]，造成施工巷道出现严重的滞后性变形，后续二次补强及修复工作量大，成本高，效果差。通过对沿空掘巷小煤柱合理宽度留设及其支护设计不断优化、试验、分析，提出一种适合小煤柱沿空掘巷“锚-网-索-梁-注”联合加固支护技术方案，以“锚网索梁”支护为主，滞后掘进工作面60～80m对小煤柱施工注浆加固，解决了小煤柱沿空掘巷支护难题，有效控制巷道变形，为同类巷道施工提供前期实验及工程应用背景，具有理论借鉴意义。 　　高帮支护：风巷高帮采用横向锚索梁及竖向锚索梁配合，并喷注浆的形式进行加固;高帮布置5根Φ22mm×2600mm锚杆配合M5型钢带支护，螺母拧紧力矩300N·m，锚固力不低于80kN，药卷4～5根，采用全长锚固，锚固剂型号：K2950/Z2950，施工锚杆时每2排在第1、3、5根锚杆设置加注装置;锚索布置4根配合T2型钢带以及走向槽钢锚索梁加强支护，锚索规格从肩窝至帮部依次为：Φ21.8mm×7300mm、Φ21.8mm×6300mm、Φ21.8mm×3100mm、Φ21.8mm
　　×3100mm，锚固力不低于200kN，预紧力不低于100kN，锚索间沿垂直方向布置锚索梁加固（可用14#槽钢L=2600mm），锚索间沿走向布置锚索梁加固（可用14#槽钢L=3600mm），横向钢带锚索梁为2排，分别距顶板1.0m及2.2m，上部锚索仰角60°，锚索梁采用先走向后竖向的顺序加固后喷浆，利用加注锚杆进行注浆;喷浆滞后迎头不大于30m，注浆滞后迎头不大于80m。见图5所示。
　　低帮支护：风巷低帮侧布置3根Φ22mm×2600mm锚杆配合M5型钢带支护，螺母拧緊力矩300N·m，锚固力不低于80kN，药卷4～5根，采用全长锚固，锚固剂型号：K2950/Z2950;距顶板1.5m处布置1排走向锚索Φ21.8mm×3100mm配合锚索梁加强支护，锚固力不低于200kN，预紧力不低于100kN，锚索间沿巷道走向方向布置锚索梁加固（可用14#槽钢L=3600mm）。见图6所示。
　　综上，提出了3238工作面风巷“锚-网-索-梁-注”联合支护形式，如图7所示。
　　3.2 小煤柱沿空掘巷注浆加固方案优化
　　通过观测分析，3238风巷沿空侧帮部变形较大，初次支护不能满足巷道支护要求，究其原因，3238风巷过老空区长期受积水区影响的小煤柱期间，煤壁受潮，部分锚杆拉拔力不足，后路槽钢梁中部受挤压变形凸出，对此，采取锚注装置进行后路补强加固，对小煤柱进行注浆加固。
　　3.2.1 注浆材料选择
　　对不同类型注浆材料进行分析，选择合理的注浆材料。水泥类型及标号为注浆材料制作的型煤试样单轴压缩力学测试结果曲线如图8所示。
　　分析可知，不同水泥类型、标号对型煤试件强度影响显著，说明注浆材料的选择对煤岩体注浆加固效果起决定性作用。分析可知，在相同的水灰比、试验条件下，矿用煤柱注浆专用水泥制备的型煤单轴抗压强度高达1.11MPa，较普通硅酸盐水泥标号325、425、525分别提高0.775MPa、0.69MPa和0.56MPa。选择自行研制的矿用煤柱注浆专用水泥（新型注浆加固材料）作为注浆材料较其它水泥类型、标号制备的型煤强度更高。
　　3.2.2 注浆加固时机与范围
　　为了进一步确定注浆加固时机与范围，用钻孔窥视仪在距3238掘进头分别为50m、60m、70m、80m处对煤柱侧进行窥视，观测其破碎程度，窥视结果见图9。
　　由钻孔窥视结果可知，在距掘进头60m范围内煤柱内裂隙尚未发育完全，煤体较为完整，距掘进头70m，80m处煤体破碎，进行注浆浆液可更好地渗透进入裂隙中，采用的矿用煤柱注浆专用水泥颗粒小、凝固速度快，可在短时间内渗入裂隙并凝固，提升煤柱的承载能力。
　　结合掘进施工日进尺情况与窥视结果可知，在3238风巷掘进15～20天时（距掘进头60～80m）进行注浆可最大程度地发挥矿用煤柱注浆加固效果。
　　为提高围岩强度，防止片帮、漏顶对巷道表面进行喷浆;喷浆厚度不小于50mm，以不漏浆为准，强度不低于C20，喷浆滞后迎头不大于30m。小煤柱侧注浆滞后迎头80m，注浆孔孔深2m，间排距2m（或可根据现场注浆时扩散半径适当调整，确保设计的注浆孔间排距均在扩散半径之内）。注浆孔采用三花眼布置方式，三个注浆孔距顶板距离分别为300mm、1800mm、3300mm，固管总长度1m，其中花管0.5m，直径为4′钢管加工，端头外露30mm-100mm。采用间隔注浆方式循环注浆，如图10所示。
　　采用间隔注浆方式循环注浆，为了便于施工，具体位置可根据现场管路情况适当调整如图11所示。
　　注浆按照先锚注装置后注浆管注浆，循环进度30m，交替施工;注浆顺序由下向上施工，且巷道内注浆随着工作面的推进不断推进做到“随掘随注”。
　　4 现场应用效果监测
　　根据初步设计方案进行现场施工并对巷道表面位移、锚杆受力状态及顶板离层等进行监测，以便掌握锚杆承载工况，围岩变形特征以及巷道支护状况，同时为支护设计进行修改、调整提供依据。每个测站内布置3处表面观测点、1处深孔位移监测点、1处锚杆（索）应力监测点。
　　4.1 巷道表面位移分析
　　由图12可知，1#、2#测点在巷道掘进1～4天、距离迎头25m内，煤柱帮、实体煤帮及顶板围岩移近量较大。1#测点移近量分别为90mm、53mm、33mm，分别占总移近量的64.3%、70.7%、82.5%;2#测点移近量分别为55mm、52mm、34mm，分别占总变形量的56.7%、76.5%、68%。开挖5～20天缓慢增加，20天以后处于稳定状态。1#测点煤柱帮、实体煤帮、顶板最终位移量分别为140mm、75mm、40mm：2#测点煤柱帮、实体煤帮、顶板最终位移量分别为97mm、68mm、50mm。巷道变形量均在合理范围内，支护效果良好。
　　4.2 巷道锚杆受力分析
　　由图13可知，1#、2#测点在巷道掘进1～6天，锚杆受力增加较快，7～20天缓慢增加，20天以后逐渐稳定。1#测点煤柱帮、实体煤帮锚杆受力最终稳定在93kN、138kN，2#测点煤柱帮、实体煤帮锚杆受力最终稳定在90kN、134kN。锚杆受力与围岩变形密切相关。巷道开挖初期应力重新调整，锚杆受力增长较快;随后围岩与支护体相互作用，锚杆受力缓慢增加;锚杆受力稳步增长并最终稳定;表明巷道支护较好并能提供稳定的承载力，支护达到预期效果。 　　4.3 巷道顶板离层分析
　　由图14可知，1#、2#测点巷道掘进1～6天，顶板围岩离层较大，7～20天离层量缓慢增加，20天以后逐渐稳定。1#测点浅部范围内总离层量36.4mm，深部范围内总离层量26.1mm;2#测点浅部范围内总离层量49.2mm，深部范围内总离层量25.1mm。离层量在开挖初期变化较大，中间缓慢增加，后期逐渐趋于稳定，与巷道表面围岩变化规律类似，说明围岩应力向深部围岩转移，支护取得预期效果。围岩内浅部围岩离层量较大，深部围岩离层量较小，说明松动圈的扩展得到了有效控制。有效避免了小煤柱沿空掘巷掘后翻修的情况，巷道断面符合要求。
　　5 结论
　　（1）基于小煤柱沿空掘巷围岩应力分布规律，将沿空掘巷巷道布设在应力降低区，结合理论分析、数值模拟等方法初步确定许疃煤矿3238工作面沿空掘巷巷道小煤柱宽度留设为5m。
　　（2）小煤柱沿空掘巷采用注浆加固技术进行施工，可显著加固巷道，取得较好支护效果;注浆加固利用浆液封堵煤柱裂隙，消除瓦斯外溢，防止围岩强度进一步弱化，同时固化后的浆液将破碎的煤岩体胶结成整体，提高煤岩体力学性能;“锚-网-索-梁”支护对小煤柱浅部围岩强度进行强化，提供侧向约束力，减小巷道收敛变形。
　　（3）现场应用工业性试验表明，对于沿空掘巷小煤柱的稳定性控制，应针对不同地质条件采用针对性对策，对小煤柱进行注浆加固和采取“锚-网-索-梁-注”联合支护形式是合理的。现场监测可知，在掘巷支护20天后实际变形量相对较小，围岩整体及锚杆受力逐步趋于稳定，且顶板离层量也在要求范围内，不会产生较大的内部破裂，可满足安全生产要求。