特厚煤层小窑破坏区域工作面复采巷道围岩控制技术研究

范明建，高福全，卢 熹，郑仰发，4

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.平朔集团有限公司生产技术部，山西朔州036006; 3.华亭煤业集团有限责任公司，甘肃华亭744100;4.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

安家岭井工二矿9煤层厚度11.50～14.48m，平均13.01m，煤层倾角2～9°，属于特厚煤层开采。煤层埋藏深度在150m左右，矿井煤层开采方法为大采高综放开采。由于历史开采原因，矿井部分9煤资源被附近小窑开采破坏严重。资料显示，原小窑采用刀柱仓房式采煤方法，一般采8m留刀柱7m。同时，开采区域残留部分9煤的底煤，底煤平均厚度达到4.5m以上。经初步计算，小窑采空区域内尚有70%的遗煤，预计资源储量达30Mt。

通过地面物探、高密度电法等探测手段，在矿井B909工作面回采范围内共发现7个小窑破坏区域。其中，B909工作面主运巷穿越部分小窑破坏区。矿井通过采取地面钻孔灌浆充填、特殊地段巷道支护形式与参数优化设计等技术措施，实现了特厚煤层小窑破坏区域大采高综放工作面复采的安全高效生产。

1 小窑破坏区综合探测分析

矿井采用地面物探、井下电磁法探测和巷道超前探测技术，对井下局部小窑破坏区情况进行分析和判断。同时，采用巷探、钻探等辅助探测手段，比较准确地判断出各小煤窑破坏区的位置和影响范围。探测结果如图1所示。

图1 小窑破坏区探测结果

瞬变电磁法［4－5］(或称时间域电磁法，即TEM)是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。本次矿井瞬变电磁法探测装置为2m×2m多匝重叠回线装置，发射线框和接收线框分别为匝数不等且完全分离的2个独立线框，以便与煤层顶板含水异常体产生最佳耦合响应。

地面物探结果为初步确定小窑破坏区提供参考，为其他探测手段提供探测方向和探测范围。井下巷道瞬变电磁法超前探测能够比较准确地圈定小窑采空区内的积水区域。若准确判定小窑采空区空间分布状况，则需要采取“巷探”的方式进行详细探测。详细探测内容包括小窑采空区的巷道准确位置、采空区空间相对位置、采空区内部空间大小以及小窑采空区内部水、瓦斯、堆积物的状况。采空区详细探测仪器主要有经纬仪、红外线测距仪、钢卷尺等。详细探测以B909主运巷内某点为基准点逐步向小窑巷道内测量，涉及小窑巷道方位角、长度、高程等参数。详细探测结果如表1所示。

表1 小窑采空区内部空间及煤堆体积 m3

2 小窑破坏区域巷道围岩控制技术

回采工作面两巷穿越小窑采空区前，必须遵循“有掘必探、先探后掘”的原则，做好超前探测工作。综合考虑矿井地质条件、巷道与小窑采空区的相对位置、掘进施工进度等因素，采用长探与短探相结合的方法进行巷道超前探测。详细探测工作发现，在巷道穿越小窑采空区时存在以下2种情况:

(1)巷道处于小窑采空区的冒落区域内，巷道周边全部为松散的垮落岩体。探测结果显示，穿越该类型区域的巷道长度约20～60m，冒落围岩体厚度0～15m，主要以松散破碎的煤体为主，中间夹杂部分煤层顶板岩石。

巷道在穿越该区域时，采取“超前预注浆+架棚支护”的方式，进行巷道围岩加固与维护。巷道净宽5.0m，高度3.5m，采用综掘机进行巷道掘进。巷道掘进前，向掘进工作面前方冒落区域先打设注浆钻孔，注入具有较高粘结性能的化学材料(玛丽散)，恢复小窑采空区内冒落围岩的承载能力。巷道开挖后，及时架设工字钢棚进行巷道支护。钢棚采用11号矿用工字钢加工而成，钢棚整体呈正梯形，顶部棚梁水平布设。棚距根据开挖后的巷道围岩条件调整，控制在0.7～1.0m之间。相邻两架钢棚之间，采用7根直径60mm钢管联接，保证钢棚支护的整体性，防止因“倒棚”而造成的安全隐患。

大肠癌的症状较隐匿，在疾病的早期，有时甚至疾病的晚期阶段，患者可能都没有明显的局部症状，以至于许多患者在确诊时已到中晚期，治疗效果便会大打折扣。因此，定期的肠道健康检查尤为重要。

(2)巷道位于小窑采空区的下方，巷道顶板与采空区的层间距离在2.6～3.2m左右，顶板岩层以煤和部分砂质泥岩为主，属于近距离采空区下的巷道掘进与支护。

根据现场探测结果，该类型巷道长度约150～200m左右。现场钻孔围岩结构观测结果 (图2)显示，巷道顶板岩层保持了较好的完整性，多数顶板围岩没有出现明显的裂隙和破碎带。同时，对巷道顶板围岩的可锚性能进行了井下试验，锚杆的最大拉拔力均能满足规范要求［6］。

考虑到矿井9煤巷道围岩地应力水平普遍较低，巷道支护以控制围岩的结构变形为主［7］，最终确定采用“高预紧力强力锚网支护+工字钢棚辅助支护”的复合支护形式，进行巷道维护。关键支护参数如图3所示。

顶板锚杆为直径22mm、长度2.4m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，杆体屈服强度不低于335MPa。树脂加长锚固，在顶板围岩破碎段采用全长预应力锚固，以保证锚杆的锚固效果。在使用减摩垫圈的前提下，锚杆的预紧扭矩控制在300～350N· m。［8－9］锚杆间距900mm，排距1000mm。采用W钢带、钢筋网进行护顶。帮部锚杆选用直径20mm，长度1.7m的螺纹钢锚杆，杆体屈服强度不低于335MPa。树脂加长锚固，锚杆间距根据围岩条件进行调整，控制在1.0～1.2m左右。锚杆预紧力矩在250～300N·m。帮部煤体破碎时，采用W钢护板、金属菱形网进行护帮。

图2 巷道顶板围岩结构 单位:m

图3 小窑采空区下巷道支护

巷道锚网支护后，架设工字钢棚进行辅助支护，提高支护系统的整体安全性，避免因顶板层间距离过小而造成的顶板垮落。在工字钢棚的棚腿与顶梁间设置“顶梁支撑杆”，提高工字钢棚的整体支撑强度和稳定性能。工字钢棚间距控制在0.8～1.0m左右。

3 复采期间巷道顶板安全状况评价

工作面复采期间，在小窑影响区域工作面主运巷和小窑采空区联巷中设置测点 (A1，A2，A3，A4)，对巷道顶板矿压显现情况进行监测，判断回采期间小窑影响区域巷道的安全状况。测点位置如图1所示。各测点采用顶板岩层位移计进行监测。位移计深部基点深度 4.0m，浅部基点深度为2.3m。

小窑影响区域工作面复采期间，顶板岩层位移状况见图4。

图4 复采期间各测点顶板位移监测曲线

通过分析可以得出:

(1)9煤小窑采空区内原有巷道保持了较好的稳定性 (A1，A2点)，巷道表面位移和顶板离层值非常小。巷道两帮移近量仅有30～50mm，顶板岩层总离层值不超过5mm。

(2)B909工作面主运巷距离小窑注浆加固区域最小距离为40m，在工作面推进过小窑注浆加固区域时，主运巷内观测点观测数据和现场实际观测巷道顶板、煤帮均未发生异常变化。通过对比正常巷道测点A4与小窑采空区附近测点A3的监测结果，在距工作面相同距离条件下，A4点的顶板位移量大于A3点，说明注浆加固后的小窑影响区域较部分不受小窑影响的巷道顶板围岩更加稳定。

(3)复采期间，小窑采空区周围实体煤、实体煤与注浆充填材料交界处，均未发现明显的裂隙或空洞。在附近没有工作面回采或其他动压影响时，小窑采空区周围煤体比较完整。工作面复采前，通过对采空区的注浆加固处理，在小窑采空区内部形成稳定的煤岩体结构。复采过程中，在工作面超前压力的作用下依然保持了较好的完整性。

4 结论与建议

(1)针对安家岭井工二矿小窑采煤历史条件，采用地面物探、井下电磁法探测、巷道超前探测等综合探测手段，对B909工作面附近7个小窑采空区的位置、范围和体积状况进行了详细探测。

(2)复采工作面两巷穿越小窑不同破坏区域时，根据巷道布置与小窑采空区的空间位置、围岩结构状况等不同条件，提出采用“超前预注浆+架棚支护”、“高预紧力强力锚网支护+工字钢棚复合支护”等巷道支护方式，对小窑影响区域的巷道围岩进行加固与支护。

(3)复采期间，小窑采空区影响区域巷道矿压与围岩变形监测结果显示，注浆加固处理后的小窑采空区在工作面超前压力的作用下依然保持了良好的稳定性，实现了矿井小窑破坏区域9煤的安全复采，取得了显著的技术经济效益。

(4)工作面复采期间，应密切关注小窑影响区域巷道顶板变形破坏状况，加强工作面超前压力显现区域的顶板管理工作。当小窑采空区位于工作面两巷道上方且层间距离较小时，应采用超前支架、单体液压支柱等多种超前支护形式，避免因超前动压影响而造成的顶板垮落等安全事故。

［1］朱建明，马中文，徐金海，等.小煤窑采空区充填材料及复采技术研究［J］.金属矿山，2012，37(3):10－14.

［2］齐光辉.小窑破坏区资源复采利用技术实践［J］.煤炭工程，2009(9):9－11.

［3］刘安国，刘延寿.小窑严重破坏井田区域的防治水工作成功实践［J］.煤矿安全，2006，37(1):71－73.

［4］夏双力.瞬变电磁法在探测小窑采空区、陷落柱中的应用［J］.中国煤田地质，2006，18(S1):74－75.

［5］吕国印.瞬变电磁法的现状与发展趋势［J］.物探化探计算技术，2007，29(S):111－115.

［6］MT146.1－2002，中华人民共和国煤炭行业标准——树脂锚杆锚固剂［S］.

［7］范明建.浅埋深特厚松散煤层巷道支护技术研究与应用［J］.煤矿开采，2013，18(2):45－48.

［8］康红普，姜铁明，高富强，预应力锚杆支护参数设计［J］.煤炭学报，2008，33(7):721－726.

［9］范明建，康红普.锚杆预应力与巷道支护效果的关系研究［J］.煤矿开采，2007，12(4):1－3，17.