姬劍中

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(xué)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(nèi)煤炭作為我國主體能源的結(jié)構(gòu)不會改變，其開采與消費直接影響著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。在21世紀(jì)前，我國出現(xiàn)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(guī)劃的實施，大量的小型煤礦被關(guān)閉和整合，但其無序開采遺留的問題，給當(dāng)前的煤炭開采帶來了相當(dāng)大的困難。遭遇小窯采空區(qū)時，可發(fā)生突水、瓦斯突出、煤巖破碎等一系列問題，嚴(yán)重影響工作面人員和設(shè)備安全，因此，研究過小窯采空區(qū)安全掘進(jìn)技術(shù)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(qū)附近有多條公路和鐵路穿過，交通便利。首陽煤礦15205回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程中揭露了小窯破壞區(qū)，該揭露區(qū)內(nèi)圍巖較為破碎且有部分水體滲出，直接威脅到15205掘進(jìn)工作面的作業(yè)安全，亟需采取合理的掘進(jìn)技術(shù)保證工作面快速、安全地通過小窯采空區(qū)。

2 工作面開采危險因素分析

由于15205回風(fēng)順槽上覆小窯采空區(qū)已形成多年，且無詳細(xì)的開采資料，根據(jù)對小窯采空區(qū)的地質(zhì)勘探結(jié)果和掘進(jìn)工作面揭露的圍巖情況綜合分析，15205回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面遭遇小窯采空區(qū)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(qū)內(nèi)的圍巖已經(jīng)受過一次開采破壞，雖然在長達(dá)十幾年之久的自重應(yīng)力作用下逐漸被壓密實，但相較于其他圍巖來說，采空區(qū)內(nèi)的圍巖仍較為破碎，強(qiáng)度較低。原小窯采空區(qū)基本都為裸巷，未采取任何支護(hù)措施，在經(jīng)歷二次開采擾動后，原本破碎的圍巖體容易失穩(wěn)，造成大范圍的頂板垮塌，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊荷載，對工作面人員和設(shè)備產(chǎn)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(qū)的圍巖結(jié)構(gòu)已遭受破壞，開采活動導(dǎo)致圍巖體出現(xiàn)裂隙，產(chǎn)生了更多的導(dǎo)水通道，小窯采空區(qū)內(nèi)常含有積水。小窯積水可沿導(dǎo)水裂隙層進(jìn)入下方工作面，如圖2，15205掘進(jìn)工作面揭露小窯采空區(qū)后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象?？梢姡凰{是15205掘進(jìn)工作面面臨的主要危險因素之一。

圖2 礦井突水機(jī)理示意圖

（3）瓦斯等有毒有害氣體涌出。小窯采空區(qū)內(nèi)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(jìn)入掘進(jìn)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(huán)境對瓦斯?jié)舛扔袊?yán)格要求，若瓦斯?jié)舛瘸蓿陔姎庠O(shè)備工作時，極易引發(fā)煤與瓦斯爆炸事故。

（4）煤層自燃。15205掘進(jìn)工作面揭露小窯采空區(qū)內(nèi)含易自燃煤層，當(dāng)掘進(jìn)工作面揭露采空區(qū)后，氧氣便可進(jìn)入小窯采空區(qū)，條件成熟后，使煤層出現(xiàn)強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，同時伴隨煙霧、有害氣體的產(chǎn)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(qū)安全掘進(jìn)技術(shù)

3.1 小窯破壞區(qū)域圍巖控制技術(shù)

由于小窯破壞區(qū)內(nèi)圍巖破碎，需采取加強(qiáng)支護(hù)措施，設(shè)計采用“點柱+錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的支護(hù)方式對揭露的小窯破壞區(qū)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。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(wǎng)采用Ф6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片長2200 mm×寬1300 mm，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，材質(zhì)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(qiáng)度等級為C20，噴射厚度不小于500 mm。點柱的主要作用是進(jìn)行臨時支護(hù)，點柱規(guī)格為Ф200 mm×4000 mm。當(dāng)掘進(jìn)工作面揭露小窯采空區(qū)后，在小窯破壞區(qū)頂板迎頭打設(shè)三根點柱進(jìn)行臨時支護(hù)，點柱間距為2000 mm。

3.2 小窯破壞區(qū)域水害防治技術(shù)

在15205回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中，在工作面上部安設(shè)瞬變電磁探測裝置對小窯采空區(qū)的積水范圍進(jìn)行探測和驗證。依據(jù)探測到的積水范圍和積水量進(jìn)行排放水設(shè)計，在15205回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面設(shè)計20個排放水鉆孔。采用勘探鉆機(jī)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(jìn)10 m，之后采用70 mm的孔徑鉆至設(shè)計深度。排放水鉆孔施工完成后應(yīng)安設(shè)閘閥，及時封孔，避免出現(xiàn)鉆孔坍塌等現(xiàn)象。需在15205回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面布置兩臺抽水量不小于100 m3/h的備用水泵，當(dāng)工作面出現(xiàn)積水時采用水泵及時排出。

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

3.3 小窯破壞區(qū)域注漿封堵技術(shù)

工作面注漿可有效封堵小窯采空區(qū)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(fēng)順槽所揭露的小窯采空區(qū)在不同范圍的圍巖破碎程度也不同，提出在15205回風(fēng)順槽采用復(fù)合注漿技術(shù)進(jìn)行工作面預(yù)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(dá)到較好的注漿效果，其原理如圖4。

圖4 復(fù)合注漿原理

4 結(jié)語

（1）對15205回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中危險因素進(jìn)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(qū)所受威脅，采用“點柱+錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的支護(hù)方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，并制定了水害探測、水害治理等方面安全技術(shù)措施。