小煤窯破壞區(qū)回采巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

崔瑞軍

【山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西 介休 032000】

我國(guó)煤炭行業(yè)開(kāi)始實(shí)施兼并重組的政策以來(lái)，上萬(wàn)座小煤礦被兼并重組。由于前期小煤窯開(kāi)采缺乏資金及技術(shù)支持，不同程度的存在開(kāi)采技術(shù)落后、勘探資料缺乏、管理混亂等問(wèn)題，對(duì)完整的煤層形成了破壞，給整合后的大型煤礦采掘工作帶來(lái)了很大的困難，特別是增加了安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦周邊曾有多個(gè)小煤窯進(jìn)行過(guò)采掘行為，造成了大量縱橫交錯(cuò)的采空區(qū)及老空巷道，存在老空水威脅，且無(wú)序采掘行為對(duì)煤層及頂板形成了不同程度的破壞，對(duì)整合后煤礦的采掘工作帶來(lái)很大困擾[1-3]。本文以汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦61115工作面材料巷為工程背景，對(duì)該工作范圍內(nèi)的采空區(qū)及老空巷道進(jìn)行探測(cè)，在相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)小煤窯破壞區(qū)影響范圍內(nèi)的巷道圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程概況

柳灣煤礦是汾西礦業(yè)集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井之一，井田屬于霍西煤田的北端部分，井田面積75.333 km2，現(xiàn)開(kāi)采太原組10#、11#煤層。礦井設(shè)計(jì)能力30萬(wàn)噸/年，后經(jīng)過(guò)三次大技改，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力300萬(wàn)噸，公告產(chǎn)能為276萬(wàn)噸。柳灣煤礦61115工作面主采11#煤層，煤層厚度平均5 m，煤層傾角平均5°，采煤工作面為單一走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤采煤法，掘進(jìn)工作面全部為綜合機(jī)械化掘進(jìn)。61115工作面材料巷，設(shè)計(jì)為回采時(shí)的進(jìn)風(fēng)、行人及材料運(yùn)輸巷，巷道埋深約90 m，屬于淺埋煤層，巷道沿煤層底板施工。巷道煤質(zhì)松軟、硬度小，普氏系數(shù)為1，夾層較多，巷道頂板為煤層，直接頂為平均厚度2.7 m的黑色泥巖，老頂為K2灰?guī)r，平均厚度為5.34 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，為富含水層，巷道底板為鉛質(zhì)泥巖，遇水發(fā)生軟化、膨脹。

工作面西南分布有曾采9#、10#、11#煤的胡家凹村南和賀家莊村北、賀家莊村南小煤窯，工作面東北分布有曾采9#煤的井溝礦小煤窯，且可能采動(dòng)過(guò)10#、11#煤。大多數(shù)小煤窯都屬于短期開(kāi)采行為，基本上沒(méi)有合理的規(guī)劃，開(kāi)采圖紙及地質(zhì)資料等缺失，礦井實(shí)際掌握的數(shù)據(jù)都極不準(zhǔn)確，在后期開(kāi)采時(shí)很難合理使用。

2 61115工作面材料巷支護(hù)難點(diǎn)分析

由于61115工作面處于小煤窯采掘破壞區(qū)，原始煤層及圍巖結(jié)構(gòu)遭受破壞，給工作面及巷道支護(hù)帶來(lái)諸多困擾，分析61115工作面材料巷的支護(hù)難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）小煤窯無(wú)序開(kāi)采造成了大量縱橫交錯(cuò)的老采空區(qū)老巷道，采空區(qū)內(nèi)部會(huì)聚集很多地下水，有可能還聚集了大量瓦斯，沒(méi)有相關(guān)水文地質(zhì)資料，回采過(guò)程中直接或間接揭露采空區(qū)積水，易造成礦井突水災(zāi)害，給整合后的大型煤礦布置工作面和回采帶來(lái)很大困難。

（2）小煤窯開(kāi)采技術(shù)相對(duì)落后，大多采用短壁式和房柱式等效率低下的開(kāi)采方式，再加上開(kāi)采后對(duì)采空區(qū)的不處理，導(dǎo)致很多小煤窯采空區(qū)存在頂板不易垮落的問(wèn)題，如果不提前做好勘探工作，對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)威脅較大[4-5]。

（3）由于小煤窯的無(wú)序開(kāi)采，圍巖的原始平衡狀態(tài)被破壞，圍巖長(zhǎng)期暴露，裂隙發(fā)育，且巷道頂板及兩幫均為強(qiáng)度較低的煤體，煤質(zhì)松軟、硬度小，夾層較多，煤層上為黑色泥巖，巷道底板為鉛質(zhì)泥巖，遇水發(fā)生軟化、膨脹，整體圍巖強(qiáng)度較低，再次受到采掘應(yīng)力擾動(dòng)及支承壓力影響后，破壞區(qū)在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)一步發(fā)育，圍巖難易形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

（4）支護(hù)方式不合理。在不受小煤窯采空區(qū)影響區(qū)域，現(xiàn)有支護(hù)方案支護(hù)效果較好，能夠有效的控制巷道圍巖的變形；但在小煤窯破壞區(qū)，巷道圍巖破碎度高，自穩(wěn)能力差，巷道易發(fā)生頂板下沉、片幫、底鼓，原有支護(hù)方案不能適應(yīng)巷道圍巖條件，支護(hù)效果極差。

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)此次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，礦方高度重視，基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等研究方法，對(duì)巷道補(bǔ)強(qiáng)方案進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。

3.1 現(xiàn)有巷道支護(hù)方案存在的問(wèn)題

61115工作面材料巷規(guī)格為4 700×2 800 mm，原支護(hù)方案為普通錨桿索聯(lián)合支護(hù)，頂板為20#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿，長(zhǎng)2 200 m，間排距850×1 000 mm，每排6根錨桿，W鋼帶寬度設(shè)計(jì)為280 mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為4.45 m，采用直徑為?120 mm托板；錨索為單股鋼絞線，直徑17.8 mm，長(zhǎng)3 500 mm，間排距1 200×2 000 mm，托板設(shè)計(jì)規(guī)格為300×300×16 mm。巷道幫部使用同規(guī)格錨桿，間排距1 000×1 000 mm，同時(shí)，由于煤體松軟，煤柱支護(hù)強(qiáng)度差，為加強(qiáng)煤柱側(cè)支護(hù)，巷道右?guī)兔? m布置一根錨索，規(guī)格為?17.8×3 500 mm鋼絞線，配以600 mm長(zhǎng)的12#槽鋼及配套錨具。具體支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)方案示意圖

常規(guī)情況下，現(xiàn)有支護(hù)方案支護(hù)效果較好，能夠有效的控制巷道圍巖的變形。但在小煤窯采空區(qū)及老巷影響區(qū)域，由于原采掘活動(dòng)影響及本次采掘工作的反復(fù)擾動(dòng)，在小窯的存在及采動(dòng)影響下，巷道圍巖支護(hù)變得極為困難，主要表現(xiàn)為兩幫鼓幫嚴(yán)重、巷道底鼓、頂板離層下沉，嚴(yán)重區(qū)域頂板下沉達(dá)0.6 m，底鼓超過(guò)1 m，兩幫移近量超過(guò)1.5 m，且發(fā)生過(guò)數(shù)次嚴(yán)重的冒頂事故，處理難度較大，工作面一側(cè)的巷道變形尤為明顯,同時(shí)，頂板離層較為明顯，說(shuō)明頂板錨索支護(hù)強(qiáng)度不足，應(yīng)針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)小煤窯與材料巷的具體關(guān)系及參數(shù)，當(dāng)采空區(qū)位于巷道上方時(shí)，使用FLAC3D軟件對(duì)巷道圍巖變形規(guī)律及塑性破壞區(qū)進(jìn)行模擬，并針對(duì)性設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)措施。當(dāng)巷道上方兩側(cè)均有小煤窯采空區(qū)時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果（如圖2所示），巷道圍巖破壞范圍大，受采動(dòng)影響后破壞范圍增長(zhǎng)顯著。錨桿支護(hù)密度未做改變，只對(duì)失效錨桿進(jìn)行補(bǔ)打即可；設(shè)計(jì)頂板補(bǔ)打4根?17.8×8 000 mm加長(zhǎng)錨索，保證錨索錨固點(diǎn)深入到穩(wěn)定巖層中，巷道兩幫共補(bǔ)強(qiáng)三根?17.8×3 500 mm錨索，左幫補(bǔ)打2根，右?guī)脱a(bǔ)打1根，加密錨索支護(hù)。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固劑采用兩支，型號(hào)分別為MSCK2355及MSK2355。具體參數(shù)如圖3所示。

圖2 小煤窯在巷道上方時(shí)塑性破壞區(qū)示意圖

圖3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案示意圖

4 工程實(shí)踐

按照所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行巷道修復(fù)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)施工，并著重加強(qiáng)了巷道表面位移觀測(cè)及支護(hù)效果觀測(cè)。修復(fù)后的觀測(cè)周期共45 d，在巷道內(nèi)布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于C18北30 m處，C18處、C18南30 m處、C18南60 m處、C18南90 m處、C16南10 m處，編號(hào)為1-6號(hào)，進(jìn)行巷道表面位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)際測(cè)點(diǎn)分布示意圖如下：

圖4 巷道表面位移觀測(cè)點(diǎn)分布示意圖

在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)（60 d），6個(gè)測(cè)點(diǎn)中測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的累積變形量較大，頂?shù)装逡平孔畲鬄?65 mm，兩幫移近量最大為180 mm，其他測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾挡怀^(guò)140 mm，巷道離層控制效果良好，圍巖整體保持穩(wěn)定，未發(fā)生新的冒頂事故，安全生產(chǎn)得到了保障。

5 結(jié)語(yǔ)

巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)有一套相對(duì)成熟的原則和方案，但針對(duì)特定的工程背景，還需要針對(duì)其地質(zhì)生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案，特殊條件下必須適當(dāng)增加支護(hù)密度來(lái)提高支護(hù)強(qiáng)度效果。本文即針對(duì)特殊的巷道支護(hù)條件，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等研究手段對(duì)巷道支護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在分析原有支護(hù)方案缺陷的基礎(chǔ)上，針對(duì)性設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，較好的契合了61115工作面材料巷的支護(hù)需求，在一定的支護(hù)成本的投入后，成功實(shí)施了巷道修復(fù)并保障了后期使用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的安全及技術(shù)目的。