浅谈小窑破坏区掘进巷道围岩控制技术

2021-03-01裴亚锋

煤 2021年2期

裴亚锋

(山西煤炭运销集团晋城有限公司，山西晋城 046031)

山西煤炭运销集团首阳煤业有限公司为兼并重组整合矿井，批准开采3～15号煤层，井田面积14.996 km2，批准生产能力为0.9万t/a。首阳煤业是由五个矿井兼并重组而成，矿井内部存在多处小窑破坏区及上赋煤层采空区，随着矿井采掘范围的扩大，煤炭资源遭受到破坏的弊端越发明显，使得矿井采掘接替紧张，矿井服务年限缩短。矿井二采区(南翼)受小窑等老空破坏严重，经矿地质部门走访调查，2002年和2005年的小窑破坏区基本覆盖二采区南翼，且伴有废弃井筒、风氧化带，对二采区(南翼)工作面各系统布置造成了一定的困难，主要体现在巷道过老空的支护上，同时兼为考虑自燃煤层隐蔽火源位置、负压通风与破坏区正压通风的压差叠加等因素。因此，随着矿井采掘重心逐渐向二采区转移后，急需开展二采区(南翼)小窑破坏区掘进巷道围岩支护控制技术研究，为同类地质条件下小窑破坏区掘进巷道围岩控制提供一定的参考借鉴。

1 小窑破坏区掘进巷道围岩压力特点

通过对首阳煤业二采区的现场观测和调研来看，二采区小窑破坏区巷道围岩的显著特点是小窑原有采区垮落带范围内围岩的极度破碎，以及原有采区内所留设煤柱的高强度支承压力。而破坏区巷道所承受的压力特征主要有如下几个方面。

1) 松动围岩压力较大。小窑破坏区内垮落带围岩的极度破碎造成破坏区巷道处于岩层破碎带，受到巷道掘进影响，破碎岩层发生松动和塌落的范围较大，并且以重力的形式直接作用于巷道支护结构上，致使巷道围岩承受巨大压力，尤为突出的是巷道上覆破碎岩层所覆压力。所以在此区域巷道掘进应当对破碎带可能作用的围岩压力进行预计，并且预先采取有效的措施限制围岩因受到破碎带应力作用可能发生的变形。

2) 变形围岩压力较小。小窑破坏区巷道掘进，巷道所处围岩类型主要为小窑破坏引起的岩层垮落区域矸石，岩石结构紊乱，整体呈现的作用力强度较小，即掘进巷道围岩形成的顶板弯曲带塑性区所承受压力较小。而塑性区在小窑时期已经形成，随着时间推移塑性区状态会随着围岩变形速度的下降而逐渐趋于稳定。

3) 冲击和撞击围岩压力较小。首阳煤业15号煤强度中等，弹性差，小窑采区距目前已经有近10 a时间，从理论上小窑煤柱已经处于塑性状态，煤柱内所积聚的弹性能已经得到有效释放，所呈现的冲击地压倾向性差，所以撞击围岩压力必然较原岩状态下回采小得多。但不排除煤柱在受到二次采掘活动影响后弹性能释放，产生冲击地压的可能性。

2 小窑破坏区掘进巷道围岩控制原则

围岩松动圈理论的提出，揭示了保持巷道稳定性、控制巷道围岩在受到扰动情况下，不发生过大变形量的围岩控制重点在于围岩松动破裂发展中的岩石碎胀变形和碎胀力[1-2]。而按照高预应力强力支护观点，在采用足够强度和刚度的支护方法可以有效控制松动圈的延伸范围，从而保持巷道围岩的稳定[3]。根据上述理论，结合小窑破坏区掘进巷道围岩压力特点，提出相应的围岩控制基本原则。

1) 减少对小窑破坏区掘进巷道围岩的扰动。小窑破坏区掘进巷道围岩压力主要来源于松动围岩，而松动围岩整体性差，岩石与岩石间形成的应力传递能力较弱，受到再次掘进扰动后，很容易发生冒顶事故。如果巷道开挖对围岩的扰动过大，岩石就会摆脱相互间的摩擦力而涌入，造成安全隐患，与此同时，也会造成支护结构因受力不均匀而发生变形。

2) 采用锚杆支护和刚性支护相结合的支护方案。首阳煤业15号煤最大埋深未超过300 m，埋深较浅，岩体的自重应力相对较小，而原有旧采破坏区距现在近10 a，原有采掘活动引起的上覆岩层运动早已稳定，上覆岩层的“大结构”早已形成，此时巷道支护的重点是如何护住巷道顶板破碎围岩。除此之外，刚性支护较可缩性金属支架来讲，应用于小窑破坏区巷道围岩支护优势较明显，其降低了巷道变形修复难度，提升了支护设备的复用率，降低了支护成本。根据现有支护技术条件，首阳煤业二采区小窑破坏区巷道的支护应以锚杆支护和刚性支护相结合的支护方式，必要时可配合使用超前预注浆的方案。

3) 强化对关键部位围岩的加固。关键部位主要是指支护结构与围岩原有结构之间可能存在的应力不耦合位置，且关键部位是客观存在的，在巷道掘进过程中应当注重关键部位的强化支护。

3 小窑破坏区掘进巷道围岩控制关键技术

通过上述对小窑破坏区掘进巷道围岩特征的分析，结合首阳煤业巷道支护技术现状，以小窑破坏区掘进巷道围岩控制理论为指导，提出该地区掘进巷道围岩控制的关键技术即：超前探测+低扰动掘进+高刚度差异化支护。

3.1 超前探测

超前探测技术主要包括地球物理探测技术和钻探技术。小窑破坏区探测通常采用物探方法为主，钻探验证为辅的探测技术方法。其中现有技术较为成熟和应用最为广泛的物探方法主要有高密度电阻率法、瞬变电磁法、EH-4大地电磁法和浅层地震法等。而不同的探测方法技术原理和自身特点都存在一定的差异，所以适用范围和探测对象有所不同，在实际工作中应当基于各类探测方法的特点，以及实际工程地质情况，进行探测技术的合理选择，甚至需要多种探测技术的综合应用，相互验证。

3.2 低扰动掘进

巷道掘进坚持采取“短进尺、小扰动”的施工原则，降低采掘活动对巷道围岩的扰动强度，提升巷道揭露围岩的支护效率。基于此，小窑破坏区巷道掘进时，采用撞楔法配合工字钢棚等临时控制破碎围岩移动，即利用一定规格的钢钎充当“楔”强行插入破碎带中，基于钢钎的梁效应控制破碎围岩移动，在其掩护下进行巷道掘进。

3.3 高刚度差异化支护

小窑破坏区的内部结构空间主要包括采空区垮落带和遗留煤柱，所以在二次巷道掘进的时候，工作面迎头要不断穿越垮落带应力低阻区和遗留煤柱应力高阻区，而且要应对可能存在的破坏区内采空巷道的复杂地质条件。所以，单一巷道支护方法无法满足二次巷道开挖支护的需要。

1) 当巷道穿越垮落带地应力区。如果垮落区范围较小，通过加强顶部支护向深部较硬岩体发展并控制帮的变形，充分发挥支护结构的整体承载能力，从而有效地控制大断面巷道围岩强烈变形，即首先将顶板断面处理成圆滑拱形断面，然后采用锚网支护，待施工5～10 d后采用锚网喷浆二次加固，并对上部打设锚索补偿加固，如果垮落区范围较大，可以采用高密度U型钢棚代替锚杆支护，见图1。

图1 高强度树脂锚杆+锚索+ U型钢支

2) 当掘进工作面位于旧采遗留煤柱内。巷道位于遗留煤柱内，不仅要承受遗留煤柱内的高支承压力，还可能因支承压力分布不均衡造成巷道支架受力状态恶化，从而丧失承载能力，所以采用工字钢棚和高预应力锚杆索联合支护，且采用非对称支护方案，可以增强巷道两帮的整体性，显著提高巷道围岩自身的承载能力，见图2。即在巷道靠近煤柱的帮部采用高强螺纹钢锚杆配合护帮板进行加强支护，并喷射混凝土浆液，防止煤柱内积气和积水渗入到工作面，其他部位支护参数和常规巷道一样。需要注意的是若煤柱宽度小于锚杆长度时，需要对破碎的煤岩体进行注浆加固，为锚杆的支护提供更好的着力点。

3) 掘进工作面与空巷相交时灵活采用缩小棚距或采用对棚、锚注、锚拉支架以及采用料石砌墙等多种加强支护方式。

4) 掘进工作面超前支护釆用钢钎撞楔法。