特厚煤層小窯破壞區(qū)域工作面復(fù)采巷道圍巖控制技術(shù)研究

范明建，高福全，盧 熹，鄭仰發(fā)，4

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.平朔集團(tuán)有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西朔州036006; 3.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅華亭744100;4.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

安家?guī)X井工二礦9煤層厚度11.50～14.48m，平均13.01m，煤層傾角2～9°，屬于特厚煤層開采。煤層埋藏深度在150m左右，礦井煤層開采方法為大采高綜放開采。由于歷史開采原因，礦井部分9煤資源被附近小窯開采破壞嚴(yán)重。資料顯示，原小窯采用刀柱倉房式采煤方法，一般采8m留刀柱7m。同時(shí)，開采區(qū)域殘留部分9煤的底煤，底煤平均厚度達(dá)到4.5m以上。經(jīng)初步計(jì)算，小窯采空區(qū)域內(nèi)尚有70%的遺煤，預(yù)計(jì)資源儲量達(dá)30Mt。

通過地面物探、高密度電法等探測手段，在礦井B909工作面回采范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)7個(gè)小窯破壞區(qū)域。其中，B909工作面主運(yùn)巷穿越部分小窯破壞區(qū)。礦井通過采取地面鉆孔灌漿充填、特殊地段巷道支護(hù)形式與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了特厚煤層小窯破壞區(qū)域大采高綜放工作面復(fù)采的安全高效生產(chǎn)。

1 小窯破壞區(qū)綜合探測分析

礦井采用地面物探、井下電磁法探測和巷道超前探測技術(shù)，對井下局部小窯破壞區(qū)情況進(jìn)行分析和判斷。同時(shí)，采用巷探、鉆探等輔助探測手段，比較準(zhǔn)確地判斷出各小煤窯破壞區(qū)的位置和影響范圍。探測結(jié)果如圖1所示。

圖1 小窯破壞區(qū)探測結(jié)果

瞬變電磁法［4－5］(或稱時(shí)間域電磁法，即TEM)是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。本次礦井瞬變電磁法探測裝置為2m×2m多匝重疊回線裝置，發(fā)射線框和接收線框分別為匝數(shù)不等且完全分離的2個(gè)獨(dú)立線框，以便與煤層頂板含水異常體產(chǎn)生最佳耦合響應(yīng)。

地面物探結(jié)果為初步確定小窯破壞區(qū)提供參考，為其他探測手段提供探測方向和探測范圍。井下巷道瞬變電磁法超前探測能夠比較準(zhǔn)確地圈定小窯采空區(qū)內(nèi)的積水區(qū)域。若準(zhǔn)確判定小窯采空區(qū)空間分布狀況，則需要采取“巷探”的方式進(jìn)行詳細(xì)探測。詳細(xì)探測內(nèi)容包括小窯采空區(qū)的巷道準(zhǔn)確位置、采空區(qū)空間相對位置、采空區(qū)內(nèi)部空間大小以及小窯采空區(qū)內(nèi)部水、瓦斯、堆積物的狀況。采空區(qū)詳細(xì)探測儀器主要有經(jīng)緯儀、紅外線測距儀、鋼卷尺等。詳細(xì)探測以B909主運(yùn)巷內(nèi)某點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)逐步向小窯巷道內(nèi)測量，涉及小窯巷道方位角、長度、高程等參數(shù)。詳細(xì)探測結(jié)果如表1所示。

表1 小窯采空區(qū)內(nèi)部空間及煤堆體積 m3

2 小窯破壞區(qū)域巷道圍巖控制技術(shù)

回采工作面兩巷穿越小窯采空區(qū)前，必須遵循“有掘必探、先探后掘”的原則，做好超前探測工作。綜合考慮礦井地質(zhì)條件、巷道與小窯采空區(qū)的相對位置、掘進(jìn)施工進(jìn)度等因素，采用長探與短探相結(jié)合的方法進(jìn)行巷道超前探測。詳細(xì)探測工作發(fā)現(xiàn)，在巷道穿越小窯采空區(qū)時(shí)存在以下2種情況:

(1)巷道處于小窯采空區(qū)的冒落區(qū)域內(nèi)，巷道周邊全部為松散的垮落巖體。探測結(jié)果顯示，穿越該類型區(qū)域的巷道長度約20～60m，冒落圍巖體厚度0～15m，主要以松散破碎的煤體為主，中間夾雜部分煤層頂板巖石。

巷道在穿越該區(qū)域時(shí)，采取“超前預(yù)注漿+架棚支護(hù)”的方式，進(jìn)行巷道圍巖加固與維護(hù)。巷道凈寬5.0m，高度3.5m，采用綜掘機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)前，向掘進(jìn)工作面前方冒落區(qū)域先打設(shè)注漿鉆孔，注入具有較高粘結(jié)性能的化學(xué)材料(瑪麗散)，恢復(fù)小窯采空區(qū)內(nèi)冒落圍巖的承載能力。巷道開挖后，及時(shí)架設(shè)工字鋼棚進(jìn)行巷道支護(hù)。鋼棚采用11號礦用工字鋼加工而成，鋼棚整體呈正梯形，頂部棚梁水平布設(shè)。棚距根據(jù)開挖后的巷道圍巖條件調(diào)整，控制在0.7～1.0m之間。相鄰兩架鋼棚之間，采用7根直徑60mm鋼管聯(lián)接，保證鋼棚支護(hù)的整體性，防止因“倒棚”而造成的安全隱患。

大腸癌的癥狀較隱匿，在疾病的早期，有時(shí)甚至疾病的晚期階段，患者可能都沒有明顯的局部癥狀，以至于許多患者在確診時(shí)已到中晚期，治療效果便會大打折扣。因此，定期的腸道健康檢查尤為重要。

(2)巷道位于小窯采空區(qū)的下方，巷道頂板與采空區(qū)的層間距離在2.6～3.2m左右，頂板巖層以煤和部分砂質(zhì)泥巖為主，屬于近距離采空區(qū)下的巷道掘進(jìn)與支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場探測結(jié)果，該類型巷道長度約150～200m左右?，F(xiàn)場鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果 (圖2)顯示，巷道頂板巖層保持了較好的完整性，多數(shù)頂板圍巖沒有出現(xiàn)明顯的裂隙和破碎帶。同時(shí)，對巷道頂板圍巖的可錨性能進(jìn)行了井下試驗(yàn)，錨桿的最大拉拔力均能滿足規(guī)范要求［6］。

考慮到礦井9煤巷道圍巖地應(yīng)力水平普遍較低，巷道支護(hù)以控制圍巖的結(jié)構(gòu)變形為主［7］，最終確定采用“高預(yù)緊力強(qiáng)力錨網(wǎng)支護(hù)+工字鋼棚輔助支護(hù)”的復(fù)合支護(hù)形式，進(jìn)行巷道維護(hù)。關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

頂板錨桿為直徑22mm、長度2.4m的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿體屈服強(qiáng)度不低于335MPa。樹脂加長錨固，在頂板圍巖破碎段采用全長預(yù)應(yīng)力錨固，以保證錨桿的錨固效果。在使用減摩墊圈的前提下，錨桿的預(yù)緊扭矩控制在300～350N· m。［8－9］錨桿間距900mm，排距1000mm。采用W鋼帶、鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。幫部錨桿選用直徑20mm，長度1.7m的螺紋鋼錨桿，桿體屈服強(qiáng)度不低于335MPa。樹脂加長錨固，錨桿間距根據(jù)圍巖條件進(jìn)行調(diào)整，控制在1.0～1.2m左右。錨桿預(yù)緊力矩在250～300N·m。幫部煤體破碎時(shí)，采用W鋼護(hù)板、金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。

圖2 巷道頂板圍巖結(jié)構(gòu) 單位:m

圖3 小窯采空區(qū)下巷道支護(hù)

巷道錨網(wǎng)支護(hù)后，架設(shè)工字鋼棚進(jìn)行輔助支護(hù)，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體安全性，避免因頂板層間距離過小而造成的頂板垮落。在工字鋼棚的棚腿與頂梁間設(shè)置“頂梁支撐桿”，提高工字鋼棚的整體支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性能。工字鋼棚間距控制在0.8～1.0m左右。

3 復(fù)采期間巷道頂板安全狀況評價(jià)

工作面復(fù)采期間，在小窯影響區(qū)域工作面主運(yùn)巷和小窯采空區(qū)聯(lián)巷中設(shè)置測點(diǎn) (A1，A2，A3，A4)，對巷道頂板礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行監(jiān)測，判斷回采期間小窯影響區(qū)域巷道的安全狀況。測點(diǎn)位置如圖1所示。各測點(diǎn)采用頂板巖層位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。位移計(jì)深部基點(diǎn)深度 4.0m，淺部基點(diǎn)深度為2.3m。

小窯影響區(qū)域工作面復(fù)采期間，頂板巖層位移狀況見圖4。

圖4 復(fù)采期間各測點(diǎn)頂板位移監(jiān)測曲線

通過分析可以得出:

(1)9煤小窯采空區(qū)內(nèi)原有巷道保持了較好的穩(wěn)定性 (A1，A2點(diǎn))，巷道表面位移和頂板離層值非常小。巷道兩幫移近量僅有30～50mm，頂板巖層總離層值不超過5mm。

(2)B909工作面主運(yùn)巷距離小窯注漿加固區(qū)域最小距離為40m，在工作面推進(jìn)過小窯注漿加固區(qū)域時(shí)，主運(yùn)巷內(nèi)觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)際觀測巷道頂板、煤幫均未發(fā)生異常變化。通過對比正常巷道測點(diǎn)A4與小窯采空區(qū)附近測點(diǎn)A3的監(jiān)測結(jié)果，在距工作面相同距離條件下，A4點(diǎn)的頂板位移量大于A3點(diǎn)，說明注漿加固后的小窯影響區(qū)域較部分不受小窯影響的巷道頂板圍巖更加穩(wěn)定。

(3)復(fù)采期間，小窯采空區(qū)周圍實(shí)體煤、實(shí)體煤與注漿充填材料交界處，均未發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙或空洞。在附近沒有工作面回采或其他動壓影響時(shí)，小窯采空區(qū)周圍煤體比較完整。工作面復(fù)采前，通過對采空區(qū)的注漿加固處理，在小窯采空區(qū)內(nèi)部形成穩(wěn)定的煤巖體結(jié)構(gòu)。復(fù)采過程中，在工作面超前壓力的作用下依然保持了較好的完整性。

4 結(jié)論與建議

(1)針對安家?guī)X井工二礦小窯采煤歷史條件，采用地面物探、井下電磁法探測、巷道超前探測等綜合探測手段，對B909工作面附近7個(gè)小窯采空區(qū)的位置、范圍和體積狀況進(jìn)行了詳細(xì)探測。

(2)復(fù)采工作面兩巷穿越小窯不同破壞區(qū)域時(shí)，根據(jù)巷道布置與小窯采空區(qū)的空間位置、圍巖結(jié)構(gòu)狀況等不同條件，提出采用“超前預(yù)注漿+架棚支護(hù)”、“高預(yù)緊力強(qiáng)力錨網(wǎng)支護(hù)+工字鋼棚復(fù)合支護(hù)”等巷道支護(hù)方式，對小窯影響區(qū)域的巷道圍巖進(jìn)行加固與支護(hù)。

(3)復(fù)采期間，小窯采空區(qū)影響區(qū)域巷道礦壓與圍巖變形監(jiān)測結(jié)果顯示，注漿加固處理后的小窯采空區(qū)在工作面超前壓力的作用下依然保持了良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了礦井小窯破壞區(qū)域9煤的安全復(fù)采，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(4)工作面復(fù)采期間，應(yīng)密切關(guān)注小窯影響區(qū)域巷道頂板變形破壞狀況，加強(qiáng)工作面超前壓力顯現(xiàn)區(qū)域的頂板管理工作。當(dāng)小窯采空區(qū)位于工作面兩巷道上方且層間距離較小時(shí)，應(yīng)采用超前支架、單體液壓支柱等多種超前支護(hù)形式，避免因超前動壓影響而造成的頂板垮落等安全事故。

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