15205回風順槽過采空區安全技術研究與應用

姬劍中

（晉能控股煤業集團首陽煤礦，山西 晉城 048000）

能源問題一直以來都是世界性的科學問題，中國是一個富煤、少油的國家，因此，與其他國家相比，煤炭在我國一次能源消費占比長期居于70%以上[1]。在未來很長一段時間內煤炭作為我國主體能源的結構不會改變，其開采與消費直接影響著我國國民經濟的發展[2]。在21世紀前，我國出現了大量的小型煤礦，這些小型煤礦開采無序，管理混亂，造成了一定的資源浪費[3]。隨著“十二五”規劃的實施，大量的小型煤礦被關閉和整合，但其無序開采遺留的問題，給當前的煤炭開采帶來了相當大的困難。遭遇小窯采空區時，可發生突水、瓦斯突出、煤巖破碎等一系列問題，嚴重影響工作面人員和設備安全，因此，研究過小窯采空區安全掘進技術具有十分重要的工程意義[4-5]。

1 工程概況

首陽煤礦位于山西省晉城市，礦區附近有多條公路和鐵路穿過，交通便利。首陽煤礦15205回風順槽在掘進過程中揭露了小窯破壞區，該揭露區內圍巖較為破碎且有部分水體滲出，直接威脅到15205掘進工作面的作業安全，亟需采取合理的掘進技術保證工作面快速、安全地通過小窯采空區。

2 工作面開采危險因素分析

由于15205回風順槽上覆小窯采空區已形成多年，且無詳細的開采資料，根據對小窯采空區的地質勘探結果和掘進工作面揭露的圍巖情況綜合分析，15205回風順槽掘進工作面遭遇小窯采空區后面臨的主要威脅包含以下幾個方面：

（1）頂板大面積垮落。小窯采空區內的圍巖已經受過一次開采破壞，雖然在長達十幾年之久的自重應力作用下逐漸被壓密實，但相較于其他圍巖來說，采空區內的圍巖仍較為破碎，強度較低。原小窯采空區基本都為裸巷，未采取任何支護措施，在經歷二次開采擾動后，原本破碎的圍巖體容易失穩，造成大范圍的頂板垮塌，產生強烈的沖擊荷載，對工作面人員和設備產生毀滅性的破壞，如圖1。

圖1 頂板大面積垮塌示意圖

（2）突水。小窯采空區的圍巖結構已遭受破壞，開采活動導致圍巖體出現裂隙，產生了更多的導水通道，小窯采空區內常含有積水。小窯積水可沿導水裂隙層進入下方工作面，如圖2，15205掘進工作面揭露小窯采空區后出現滲水現象。可見，突水威脅是15205掘進工作面面臨的主要危險因素之一。

圖2 礦井突水機理示意圖

（3）瓦斯等有毒有害氣體涌出。小窯采空區內含有瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體，遭遇二次開采擾動后，這些氣體可沿圍巖裂隙進入掘進工作面，一旦人員吸入這些有毒有害氣體輕則昏迷，重則傷亡。且工作面開采環境對瓦斯濃度有嚴格要求，若瓦斯濃度超限，在電氣設備工作時，極易引發煤與瓦斯爆炸事故。

（4）煤層自燃。15205掘進工作面揭露小窯采空區內含易自燃煤層，當掘進工作面揭露采空區后，氧氣便可進入小窯采空區，條件成熟后，使煤層出現強烈的氧化還原反應，同時伴隨煙霧、有害氣體的產生。煤炭的自燃過程可劃分為潛伏期、自熱期和燃燒期三個階段，如圖3，煤炭自燃可引起高溫、有害氣體等威脅因素，影響工作面的安全。

圖3 煤的自燃過程

3 小窯破壞區安全掘進技術

3.1 小窯破壞區域圍巖控制技術

由于小窯破壞區內圍巖破碎，需采取加強支護措施，設計采用“點柱+錨桿+錨索+鋼筋網+噴射混凝土”的支護方式對揭露的小窯破壞區頂板進行加強支護。錨桿采用Ф20 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋錨桿，間排距1200 mm×1200 mm，每根錨桿配兩卷樹脂錨固劑。錨索為Ф17.8 mm的7股鋼絞線，長度6.3 m，間排距2400 mm×2400 mm，每根錨索配備兩根樹脂錨固劑。鋼筋網采用Ф6 mm鋼筋網，網片長2200 mm×寬1300 mm，網格尺寸為100 mm×100 mm，材質為Q235鋼，搭接長度100 mm，用14#綁扎連接，綁扎不少于三圈，雙邊隔孔相連。噴射混凝土強度等級為C20，噴射厚度不小于500 mm。點柱的主要作用是進行臨時支護，點柱規格為Ф200 mm×4000 mm。當掘進工作面揭露小窯采空區后，在小窯破壞區頂板迎頭打設三根點柱進行臨時支護，點柱間距為2000 mm。

3.2 小窯破壞區域水害防治技術

在15205回風順槽掘進過程中，在工作面上部安設瞬變電磁探測裝置對小窯采空區的積水范圍進行探測和驗證。依據探測到的積水范圍和積水量進行排放水設計，在15205回風順槽掘進工作面設計20個排放水鉆孔。采用勘探鉆機施工排放水鉆孔，鉆孔仰角為25°～40°。鉆孔時先以110 mm的孔徑鉆進10 m，之后采用70 mm的孔徑鉆至設計深度。排放水鉆孔施工完成后應安設閘閥，及時封孔，避免出現鉆孔坍塌等現象。需在15205回風順槽掘進工作面布置兩臺抽水量不小于100 m3/h的備用水泵，當工作面出現積水時采用水泵及時排出。

加強對掘進工作面水害防治的現場監管，做好每班的現場涌水記錄，觀察是否有突水征兆的出現，若有可疑情況，及時向地面控制中心匯報，并組織作業人員有序撤出工作面。

3.3 小窯破壞區域注漿封堵技術

工作面注漿可有效封堵小窯采空區裂隙，防止有毒、有害氣體隨小窯積水涌入工作面，同時隔絕煤層與氧氣之間的接觸。由于15205回風順槽所揭露的小窯采空區在不同范圍的圍巖破碎程度也不同，提出在15205回風順槽采用復合注漿技術進行工作面預注漿。針對不同范圍的圍巖特性配比不同性能的漿液，使用最低的注漿成本達到較好的注漿效果，其原理如圖4。

圖4 復合注漿原理

4 結語

（1）對15205回風順槽掘進過程中危險因素進行了分析，主要包括頂板大面積垮落、突水、瓦斯等有毒有害氣體涌出和煤層自燃威脅。

（2）針對工作面在小窯破壞區所受威脅，采用“點柱+錨桿+錨索+鋼筋網+噴射混凝土”的支護方式進行加強支護，并制定了水害探測、水害治理等方面安全技術措施。