小煤窯破壞區回采巷道補強支護設計及應用

崔瑞軍

【山西汾西礦業（集團）有限責任公司 山西 介休 032000】

我國煤炭行業開始實施兼并重組的政策以來，上萬座小煤礦被兼并重組。由于前期小煤窯開采缺乏資金及技術支持，不同程度的存在開采技術落后、勘探資料缺乏、管理混亂等問題，對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了很大的困難，特別是增加了安全生產的風險系數。汾西礦業集團柳灣煤礦周邊曾有多個小煤窯進行過采掘行為，造成了大量縱橫交錯的采空區及老空巷道，存在老空水威脅，且無序采掘行為對煤層及頂板形成了不同程度的破壞，對整合后煤礦的采掘工作帶來很大困擾[1-3]。本文以汾西礦業集團柳灣煤礦61115工作面材料巷為工程背景，對該工作范圍內的采空區及老空巷道進行探測，在相關研究工作的基礎上，設計小煤窯破壞區影響范圍內的巷道圍巖補強支護方案，并進行現場工業性試驗。

1 工程概況

柳灣煤礦是汾西礦業集團的主力生產礦井之一，井田屬于霍西煤田的北端部分，井田面積75.333 km2，現開采太原組10#、11#煤層。礦井設計能力30萬噸/年，后經過三次大技改，現核定生產能力300萬噸，公告產能為276萬噸。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壁后退式放頂煤采煤法，掘進工作面全部為綜合機械化掘進。61115工作面材料巷，設計為回采時的進風、行人及材料運輸巷，巷道埋深約90 m，屬于淺埋煤層，巷道沿煤層底板施工。巷道煤質松軟、硬度小，普氏系數為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灰巖，平均厚度為5.34 m，節理裂隙發育，為富含水層，巷道底板為鉛質泥巖，遇水發生軟化、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，且可能采動過10#、11#煤。大多數小煤窯都屬于短期開采行為，基本上沒有合理的規劃，開采圖紙及地質資料等缺失，礦井實際掌握的數據都極不準確，在后期開采時很難合理使用。

2 61115工作面材料巷支護難點分析

由于61115工作面處于小煤窯采掘破壞區，原始煤層及圍巖結構遭受破壞，給工作面及巷道支護帶來諸多困擾，分析61115工作面材料巷的支護難點主要包括以下幾個方面：

（1）小煤窯無序開采造成了大量縱橫交錯的老采空區老巷道，采空區內部會聚集很多地下水，有可能還聚集了大量瓦斯，沒有相關水文地質資料，回采過程中直接或間接揭露采空區積水，易造成礦井突水災害，給整合后的大型煤礦布置工作面和回采帶來很大困難。

（2）小煤窯開采技術相對落后，大多采用短壁式和房柱式等效率低下的開采方式，再加上開采后對采空區的不處理，導致很多小煤窯采空區存在頂板不易垮落的問題，如果不提前做好勘探工作，對于礦井的安全生產威脅較大[4-5]。

（3）由于小煤窯的無序開采，圍巖的原始平衡狀態被破壞，圍巖長期暴露，裂隙發育，且巷道頂板及兩幫均為強度較低的煤體，煤質松軟、硬度小，夾層較多，煤層上為黑色泥巖，巷道底板為鉛質泥巖，遇水發生軟化、膨脹，整體圍巖強度較低，再次受到采掘應力擾動及支承壓力影響后，破壞區在復雜應力環境下進一步發育，圍巖難易形成穩定的承載結構。

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

3 巷道補強支護方案設計

針對此次補強支護，礦方高度重視，基于現場調研、理論分析、數值模擬等研究方法，對巷道補強方案進行合理化設計。

3.1 現有巷道支護方案存在的問題

61115工作面材料巷規格為4 700×2 800 mm，原支護方案為普通錨桿索聯合支護，頂板為20#左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長2 200 m，間排距850×1 000 mm，每排6根錨桿，W鋼帶寬度設計為280 mm，長度設計為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3 500 mm，間排距1 200×2 000 mm，托板設計規格為300×300×16 mm。巷道幫部使用同規格錨桿，間排距1 000×1 000 mm，同時，由于煤體松軟，煤柱支護強度差，為加強煤柱側支護，巷道右幫每2 m布置一根錨索，規格為?17.8×3 500 mm鋼絞線，配以600 mm長的12#槽鋼及配套錨具。具體支護方案如圖1所示。

圖1 巷道原支護方案示意圖

常規情況下，現有支護方案支護效果較好，能夠有效的控制巷道圍巖的變形。但在小煤窯采空區及老巷影響區域，由于原采掘活動影響及本次采掘工作的反復擾動，在小窯的存在及采動影響下，巷道圍巖支護變得極為困難，主要表現為兩幫鼓幫嚴重、巷道底鼓、頂板離層下沉，嚴重區域頂板下沉達0.6 m，底鼓超過1 m，兩幫移近量超過1.5 m，且發生過數次嚴重的冒頂事故，處理難度較大，工作面一側的巷道變形尤為明顯,同時，頂板離層較為明顯，說明頂板錨索支護強度不足，應針對性補強。

3.2 巷道補強支護方案及參數設計

針對小煤窯與材料巷的具體關系及參數，當采空區位于巷道上方時，使用FLAC3D軟件對巷道圍巖變形規律及塑性破壞區進行模擬，并針對性設計補強措施。當巷道上方兩側均有小煤窯采空區時，根據數值模擬結果（如圖2所示），巷道圍巖破壞范圍大，受采動影響后破壞范圍增長顯著。錨桿支護密度未做改變，只對失效錨桿進行補打即可；設計頂板補打4根?17.8×8 000 mm加長錨索，保證錨索錨固點深入到穩定巖層中，巷道兩幫共補強三根?17.8×3 500 mm錨索，左幫補打2根，右幫補打1根，加密錨索支護。采用樹脂加長錨固，錨固劑采用兩支，型號分別為MSCK2355及MSK2355。具體參數如圖3所示。

圖2 小煤窯在巷道上方時塑性破壞區示意圖

圖3 巷道補強支護方案示意圖

4 工程實踐

按照所設計的方案進行巷道修復及補強支護施工，并著重加強了巷道表面位移觀測及支護效果觀測。修復后的觀測周期共45 d，在巷道內布置6個測點，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，編號為1-6號，進行巷道表面位移實時監測，實際測點分布示意圖如下：

圖4 巷道表面位移觀測點分布示意圖

在整個觀測期內（60 d），6個測點中測點3和測點4的累積變形量較大，頂底板移近量最大為165 mm，兩幫移近量最大為180 mm，其他測點頂底板移近量和兩幫移近量最大值不超過140 mm，巷道離層控制效果良好，圍巖整體保持穩定，未發生新的冒頂事故，安全生產得到了保障。

5 結語

巷道支護方案設計有一套相對成熟的原則和方案，但針對特定的工程背景，還需要針對其地質生產條件設計合理的支護方案，特殊條件下必須適當增加支護密度來提高支護強度效果。本文即針對特殊的巷道支護條件，采用現場調研、理論分析、數值模擬等研究手段對巷道支護的關鍵技術進行研究，在分析原有支護方案缺陷的基礎上，針對性設計補強支護方案，較好的契合了61115工作面材料巷的支護需求，在一定的支護成本的投入后，成功實施了巷道修復并保障了后期使用，實現了預期的安全及技術目的。