裴亞鋒

(山西煤炭運銷集團(tuán)晉城有限公司，山西 晉城 046031)

山西煤炭運銷集團(tuán)首陽煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦井，批準(zhǔn)開采3～15號煤層，井田面積14.996 km2，批準(zhǔn)生產(chǎn)能力為0.9萬t/a。首陽煤業(yè)是由五個礦井兼并重組而成，礦井內(nèi)部存在多處小窯破壞區(qū)及上賦煤層采空區(qū)，隨著礦井采掘范圍的擴(kuò)大，煤炭資源遭受到破壞的弊端越發(fā)明顯，使得礦井采掘接替緊張，礦井服務(wù)年限縮短。礦井二采區(qū)(南翼)受小窯等老空破壞嚴(yán)重，經(jīng)礦地質(zhì)部門走訪調(diào)查，2002年和2005年的小窯破壞區(qū)基本覆蓋二采區(qū)南翼，且伴有廢棄井筒、風(fēng)氧化帶，對二采區(qū)(南翼)工作面各系統(tǒng)布置造成了一定的困難，主要體現(xiàn)在巷道過老空的支護(hù)上，同時兼為考慮自燃煤層隱蔽火源位置、負(fù)壓通風(fēng)與破壞區(qū)正壓通風(fēng)的壓差疊加等因素。因此，隨著礦井采掘重心逐漸向二采區(qū)轉(zhuǎn)移后，急需開展二采區(qū)(南翼)小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)控制技術(shù)研究，為同類地質(zhì)條件下小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制提供一定的參考借鑒。

1 小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖壓力特點

通過對首陽煤業(yè)二采區(qū)的現(xiàn)場觀測和調(diào)研來看，二采區(qū)小窯破壞區(qū)巷道圍巖的顯著特點是小窯原有采區(qū)垮落帶范圍內(nèi)圍巖的極度破碎，以及原有采區(qū)內(nèi)所留設(shè)煤柱的高強(qiáng)度支承壓力。而破壞區(qū)巷道所承受的壓力特征主要有如下幾個方面。

1) 松動圍巖壓力較大。小窯破壞區(qū)內(nèi)垮落帶圍巖的極度破碎造成破壞區(qū)巷道處于巖層破碎帶，受到巷道掘進(jìn)影響，破碎巖層發(fā)生松動和塌落的范圍較大，并且以重力的形式直接作用于巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)上，致使巷道圍巖承受巨大壓力，尤為突出的是巷道上覆破碎巖層所覆壓力。所以在此區(qū)域巷道掘進(jìn)應(yīng)當(dāng)對破碎帶可能作用的圍巖壓力進(jìn)行預(yù)計，并且預(yù)先采取有效的措施限制圍巖因受到破碎帶應(yīng)力作用可能發(fā)生的變形。

2) 變形圍巖壓力較小。小窯破壞區(qū)巷道掘進(jìn)，巷道所處圍巖類型主要為小窯破壞引起的巖層垮落區(qū)域矸石，巖石結(jié)構(gòu)紊亂，整體呈現(xiàn)的作用力強(qiáng)度較小，即掘進(jìn)巷道圍巖形成的頂板彎曲帶塑性區(qū)所承受壓力較小。而塑性區(qū)在小窯時期已經(jīng)形成，隨著時間推移塑性區(qū)狀態(tài)會隨著圍巖變形速度的下降而逐漸趨于穩(wěn)定。

3) 沖擊和撞擊圍巖壓力較小。首陽煤業(yè)15號煤強(qiáng)度中等，彈性差，小窯采區(qū)距目前已經(jīng)有近10 a時間，從理論上小窯煤柱已經(jīng)處于塑性狀態(tài)，煤柱內(nèi)所積聚的彈性能已經(jīng)得到有效釋放，所呈現(xiàn)的沖擊地壓傾向性差，所以撞擊圍巖壓力必然較原巖狀態(tài)下回采小得多。但不排除煤柱在受到二次采掘活動影響后彈性能釋放，產(chǎn)生沖擊地壓的可能性。

2 小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制原則

圍巖松動圈理論的提出，揭示了保持巷道穩(wěn)定性、控制巷道圍巖在受到擾動情況下，不發(fā)生過大變形量的圍巖控制重點在于圍巖松動破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形和碎脹力[1-2]。而按照高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)觀點，在采用足夠強(qiáng)度和剛度的支護(hù)方法可以有效控制松動圈的延伸范圍，從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定[3]。根據(jù)上述理論，結(jié)合小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖壓力特點，提出相應(yīng)的圍巖控制基本原則。

1) 減少對小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖的擾動。小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖壓力主要來源于松動圍巖，而松動圍巖整體性差，巖石與巖石間形成的應(yīng)力傳遞能力較弱，受到再次掘進(jìn)擾動后，很容易發(fā)生冒頂事故。如果巷道開挖對圍巖的擾動過大，巖石就會擺脫相互間的摩擦力而涌入，造成安全隱患，與此同時，也會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)因受力不均勻而發(fā)生變形。

2) 采用錨桿支護(hù)和剛性支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方案。首陽煤業(yè)15號煤最大埋深未超過300 m，埋深較淺，巖體的自重應(yīng)力相對較小，而原有舊采破壞區(qū)距現(xiàn)在近10 a，原有采掘活動引起的上覆巖層運動早已穩(wěn)定，上覆巖層的“大結(jié)構(gòu)”早已形成，此時巷道支護(hù)的重點是如何護(hù)住巷道頂板破碎圍巖。除此之外，剛性支護(hù)較可縮性金屬支架來講，應(yīng)用于小窯破壞區(qū)巷道圍巖支護(hù)優(yōu)勢較明顯，其降低了巷道變形修復(fù)難度，提升了支護(hù)設(shè)備的復(fù)用率，降低了支護(hù)成本。根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)條件，首陽煤業(yè)二采區(qū)小窯破壞區(qū)巷道的支護(hù)應(yīng)以錨桿支護(hù)和剛性支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方式，必要時可配合使用超前預(yù)注漿的方案。

3) 強(qiáng)化對關(guān)鍵部位圍巖的加固。關(guān)鍵部位主要是指支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖原有結(jié)構(gòu)之間可能存在的應(yīng)力不耦合位置，且關(guān)鍵部位是客觀存在的，在巷道掘進(jìn)過程中應(yīng)當(dāng)注重關(guān)鍵部位的強(qiáng)化支護(hù)。

3 小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)

通過上述對小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖特征的分析，結(jié)合首陽煤業(yè)巷道支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀，以小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制理論為指導(dǎo)，提出該地區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)即：超前探測+低擾動掘進(jìn)+高剛度差異化支護(hù)。

3.1 超前探測

超前探測技術(shù)主要包括地球物理探測技術(shù)和鉆探技術(shù)。小窯破壞區(qū)探測通常采用物探方法為主，鉆探驗證為輔的探測技術(shù)方法。其中現(xiàn)有技術(shù)較為成熟和應(yīng)用最為廣泛的物探方法主要有高密度電阻率法、瞬變電磁法、EH-4大地電磁法和淺層地震法等。而不同的探測方法技術(shù)原理和自身特點都存在一定的差異，所以適用范圍和探測對象有所不同，在實際工作中應(yīng)當(dāng)基于各類探測方法的特點，以及實際工程地質(zhì)情況，進(jìn)行探測技術(shù)的合理選擇，甚至需要多種探測技術(shù)的綜合應(yīng)用，相互驗證。

3.2 低擾動掘進(jìn)

巷道掘進(jìn)堅持采取“短進(jìn)尺、小擾動”的施工原則，降低采掘活動對巷道圍巖的擾動強(qiáng)度，提升巷道揭露圍巖的支護(hù)效率?；诖?，小窯破壞區(qū)巷道掘進(jìn)時，采用撞楔法配合工字鋼棚等臨時控制破碎圍巖移動，即利用一定規(guī)格的鋼釬充當(dāng)“楔”強(qiáng)行插入破碎帶中，基于鋼釬的梁效應(yīng)控制破碎圍巖移動，在其掩護(hù)下進(jìn)行巷道掘進(jìn)。

3.3 高剛度差異化支護(hù)

小窯破壞區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間主要包括采空區(qū)垮落帶和遺留煤柱，所以在二次巷道掘進(jìn)的時候，工作面迎頭要不斷穿越垮落帶應(yīng)力低阻區(qū)和遺留煤柱應(yīng)力高阻區(qū)，而且要應(yīng)對可能存在的破壞區(qū)內(nèi)采空巷道的復(fù)雜地質(zhì)條件。所以，單一巷道支護(hù)方法無法滿足二次巷道開挖支護(hù)的需要。

1) 當(dāng)巷道穿越垮落帶地應(yīng)力區(qū)。如果垮落區(qū)范圍較小，通過加強(qiáng)頂部支護(hù)向深部較硬巖體發(fā)展并控制幫的變形，充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載能力，從而有效地控制大斷面巷道圍巖強(qiáng)烈變形，即首先將頂板斷面處理成圓滑拱形斷面，然后采用錨網(wǎng)支護(hù)，待施工5～10 d后采用錨網(wǎng)噴漿二次加固，并對上部打設(shè)錨索補(bǔ)償加固，如果垮落區(qū)范圍較大，可以采用高密度U型鋼棚代替錨桿支護(hù)，見圖1。

圖1 高強(qiáng)度樹脂錨桿+錨索+ U型鋼支

2) 當(dāng)掘進(jìn)工作面位于舊采遺留煤柱內(nèi)。巷道位于遺留煤柱內(nèi)，不僅要承受遺留煤柱內(nèi)的高支承壓力，還可能因支承壓力分布不均衡造成巷道支架受力狀態(tài)惡化，從而喪失承載能力，所以采用工字鋼棚和高預(yù)應(yīng)力錨桿索聯(lián)合支護(hù)，且采用非對稱支護(hù)方案，可以增強(qiáng)巷道兩幫的整體性，顯著提高巷道圍巖自身的承載能力，見圖2。即在巷道靠近煤柱的幫部采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿配合護(hù)幫板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，并噴射混凝土漿液，防止煤柱內(nèi)積氣和積水滲入到工作面，其他部位支護(hù)參數(shù)和常規(guī)巷道一樣。需要注意的是若煤柱寬度小于錨桿長度時，需要對破碎的煤巖體進(jìn)行注漿加固，為錨桿的支護(hù)提供更好的著力點。

3) 掘進(jìn)工作面與空巷相交時靈活采用縮小棚距或采用對棚、錨注、錨拉支架以及采用料石砌墻等多種加強(qiáng)支護(hù)方式。

4) 掘進(jìn)工作面超前支護(hù)釆用鋼釬撞楔法。

4 結(jié) 語

本文通過探討分析，得出如下結(jié)論：

1) 小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖壓力特點：①松動圍巖壓力較大；②變形圍巖壓力較?。虎叟蛎泧鷰r壓力很??；④沖擊和撞擊圍巖壓力較??；掘進(jìn)巷道的支護(hù)對象是圍巖松動破裂發(fā)展中的巖石碎脹變形和碎脹力。

圖2 非對稱支護(hù)方案

2) 小窯破壞區(qū)掘進(jìn)巷道圍巖控制原則：①減少對掘進(jìn)巷道圍巖的擾動；②采用錨桿支護(hù)和剛性支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方案；③強(qiáng)化對關(guān)鍵部位圍巖的加固。

3) 以小窯破壞區(qū)巷道圍巖控制原則為指導(dǎo)，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論和圍巖松動圈理論，小窯破壞區(qū)掘進(jìn)圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)，即：超前探測+低擾動掘進(jìn)+高剛度差異化支護(hù)。