煤矿井筒穿越老窑冒落区施工实践

杨家治

摘  要：煤矿主斜井井筒施工过程中遇老窑采空区，通过斜井井筒穿越老窑冒落区采用超前管棚临时支护、喷浆封闭掌子面、注浆加固迎头前方冒落碎矸、人工短开挖、U25钢拱架及二次混凝土永久支护、混凝土后注浆加固、防渗水、防瓦斯等技术手段和措施，实现了安全、可控、有效地通过了老窑冒落区，为以后类似工程地质条件的施工提供了一些参考经验。

关键词：煤矿井筒  穿越  老窑冒落区  施工实践

中图分类号：TD262                            文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）07（b）-0037-04

Abstract： When the old goaf is encountered during the construction of the main inclined shaft of the coal mine， the old goaf is first traversed through the inclined shaft， and then the temporary support of the advanced pipe shed， the grouting is used to seal the palm face， and the grouting is used to reinforce the heading down.Technical measures and measures such as waste gangue， artificial short excavation， U25 steel arch and permanent support of secondary concrete， post-concrete grouting reinforcement， water seepage prevention， gas prevention， etc.， which achieves safe， controllable and effective passage.The old goaf also provides some reference experience for the construction of similar engineering geological conditions in the future.

Key Words： Coal mine shaft; Crossing; Old goaf; Construction practice

黔西县阳和煤矿原设计只有主斜井和回风斜井两条井筒，按高瓦斯矿井管理要求，需增设第三条斜井井筒，增强矿井的抗灾能力。新增设的井筒作为矿井主斜井，铺设 皮带输送机，主要负责矿井的煤炭运输、进风和行人等任务。该工程项目在施工过程中，需从老窑采空区下方穿越通过，因设计井筒老窑资料不详，出现老窑水侵入、老窑区应力集中释放、上覆采空区冒落碎矸失稳等因素，致使斜井井筒在施工中冒落矸石，并与采空区导通，导致井筒无法正常施工。如何确保安全、可靠、有效的施工与进展，是整个项目管控的难点和重点。

1  工程概况

该主斜井井筒与储煤场有合理的相距距离，容易与地面生产系统连接，工程量相对较少，投资小，工期短，同时井筒井底与采区下山的联系较为方便。其他设计比选方案比该方案存在明显的不合理。

主斜井井筒设计长度800m，坡度为-80。，井筒净断面为10.3m2，墙高1200m，拱高1900m。建成后主要作为皮带运输、进风、行人等功能使用。表土段70m设计采用钢筋混凝土支护，基岩段730m采用锚网喷支护，并在施工中视其围岩条件改变支护方式，如通过锚索和超前导管来加强支护。

主斜井井筒穿层岩性主要有泥岩、菱铁质灰岩夹粉砂岩、细砂岩、炭质泥岩、石灰岩及铝土质泥岩。大气降水、老窑积水、裂隙水、岩溶水，特别是煤层露头附近废弃老窑积水，是本工程防治水的重点。井筒施工中，若揭穿老窑采空区，将有瓦斯等有毒有害气体及老窑水的涌出等现象。

阳和煤矿为非煤与瓦斯突出矿井，按高瓦斯矿井管理;煤尘无爆炸性;煤层自燃倾向性为三类，属不易自燃煤层。矿井在生产过程中未发生过冲击地压。

阳和煤矿主斜井井筒穿越老窑地质资料不详，采用超前钻孔对上部及前方进行探水、探有毒有害气体、探采空区等手段进行施工安全控制。通过探控探掘、短掘短支、钻孔泄排、瓦斯控排、矿压监测等技术措施，对老窑水、老空瓦斯等有害气体进行了安全排放管理。但井筒施工至353m处，长度约10m井筒与采空区的有效岩柱不足3m，因老窑水侵入、老窑采空区冒落碎矸失稳、采空区压力集中显现等因素，致使斜井井筒迎头段后方20m冒落矸石，并与采空区导通，导致井筒无法正常施工。

该工程已施工近一半，且无其他更合理的替代方案，如何采取安全的作业方法、可靠的支护手段、合理的操作工艺、可行的技术措施是通过此老窑冒落区的关键。

2  防治老窑区灾害措施

2.1 探测老窑区

采用钻探方式进行探测，对钻探结果进行汇总，并将成果资料测绘在采掘工程平面图上。同时现场进行量测、标定、警示。对探明的老窑区进行实时监测，掌握老窑区内的瓦斯、积水、发火等情况，采取针对性安全措施。

2.2 处理老窑区积水

充分分析研究老窑采空区的分布范围、积水面积、积水水量、积水压力等水文地质资料。根据探放水量构筑临时水仓，设置排水设备。采用ZY-1250型钻机探放老窑水，分别在拱顶、拱腰共布置3个探放孔，钻头直径φ75mm，探放孔深度不小于80m，斜井井筒施工中预留安全屏障不低于25m。探排老窑积水过程中，探水孔深入老窑采空区水体，监测监控排水情况，掌握核實排水量、排水压，直至排水结束为止。

2.3 防排老窑区瓦斯等有害气体

一是探放孔排放，通过探放水钻孔排放老窑采空区瓦斯。二是采用施工钻孔自然排放，若瓦斯含量高，涌出量大，在井筒掌子面超前老窑采空区15m布置瓦斯排放钻孔，钻孔直径φ75mm，钻孔间距0.6m，排放达标后进行施工，留5m安全屏障后进行下一轮钻孔排放。三是采用负压抽排的方式进行抽排，若钻孔排放效果不佳，周期长，则对瓦斯排放钻孔进行抽排，瓦斯含量、浓度等符合要求后继续施工。

3  冒落区处理方案

3.1 支护技术原理

井巷支护的核心原理是将支护体系与井巷围岩当作一个统一的整体，通过支护体系与围岩的相互作用，充分利用支护体系与围岩的自身承载能力或自稳能力，改变支护结构，优化支护方式，改善围岩力学性质，提高围岩自身承载能力，有效控制围岩变形，提高支护的稳定性。

老窑冒落区堆积的岩石碎矸，其围岩自稳能力几乎失效，仅靠支护体系控制变形，对井巷支护的稳定性会产生极大的影响甚至破坏。因此，应提高冒落区堆积的破碎岩石的自稳能力，同时要求支护体系预留一定的可缩性，释放小部分围岩变形能量。采用可缩性支架进行前期支护，允许围岩有限度的变形位移，避让前期部分应力，缓解降低支撑压力，均匀分布围岩对支护体系的作用力，以达到理想的支护效果。可缩性支架的可缩量发挥完毕时，即由柔性支护转为刚性支护，对围岩进行强支撑作用。

3.2 技术参数设计

老窑采空区岩石已跨冒、破碎、松散，无完整性，不具备自稳性和承载力。通过对松散体进行注浆以提高松散围岩的整体性和自承载力，确保支护体的稳定性和相互作用并达到共同支撑的效果。同时注浆后，充填支护体壁后空洞、防止水和瓦斯积聚、消除安全隐患。支护体采用联合支护，提高支护效果、降低围岩变形、减少工程维修。

（1）井筒断面：井筒净断面积按原设计。井筒开挖断面在原掘进断面的基础上扩大施工，巷道两帮及拱顶均扩大0.6m，开挖断面宽度为4.8m，高度为3.6m。

（2）临时支护：采用3.5m超前管棚、初喷射混凝土封闭掌子面、迎头前方碎矸进行低压注浆固化、架设两根4.0m前探梁等临时支护形式。

（3）永久支护形式。

①一次支护：采用U25型可缩钢拱架+锚网初喷混凝土支护。可缩支架中心间距500mm，支架间采用Φ20 mm圆钢连接牢固。锚喷支护主要采用钢筋网、喷C20混凝土支护。

②二次支护：巷道全断面浇筑钢筋混凝土支护，钢筋采用双层，混凝土浇筑厚度为0.4m，混凝土强度采用C25。

3.3 施工工艺方法

通过对老窑冒落区情况的综合分析，确定采用超前管棚临时支护巷顶上前方、初喷支护封闭整个掌子面、注浆临时加固迎头前方冒落碎矸、人工短开挖、U25钢拱架支护开挖空间、二次混凝土永久支护、混凝土后注浆加固及防渗水等技术手段和一系列措施，安全顺利地穿越了老窑冒落区。

3.3.1 超前安全支护

（1）对冒落处后方10m井筒进行加固。老窑采空区冒落后，在冒落处向外形成集中高应力区，压力显现尤为严重，破坏围岩强度大，采用U25钢拱架、间距0.5m对冒落处后方10m井筒进行加强支护。

（2）采用超前管棚处理冒落处顶部碎岩。超前管棚的主要功能是形成梁拱壳状结构、增强围岩自承能力、减少围岩扰动破坏程度、缓冲上覆塌渣沖击影响。施工时，在U25钢拱架支护的上部向冒落区施工超前管棚，采用Φ42mm无缝钢管，管棚孔间距为0.3m，长度为3.5m，纵向每环搭接不小于1m，管棚向外插角130。严格控制施钻位置，管棚不得进入开挖轮廓线内，管棚相邻钢管之间不得交叉、碰撞。

（3）对冒落处顶部及掌子面进行喷浆封闭支护。其主要作用是封闭冒落破碎岩体，固化破碎带表面，增强破碎体自承强度。采用425普通硅酸盐水泥，喷浆配合比水泥：砂为1：2（重量比），水灰比0.5，速凝剂为水泥重量的4%。喷射厚度为50～70mm。

（4）注浆加固待开挖区冒落碎岩。通过对待开挖区冒落碎岩进行预注浆，将松散体岩石进行固化，使其在开挖过程中具有承载能力，达到开挖空间自稳效果。注浆参数：水灰比0.6～0.8∶1，注浆压力0.5～1.0MPa，水玻璃溶液（浓度为30BE，）与水泥浆体积比为1：1，注浆量达到设计的80%。凝固时间24h。

3.3.2 U25钢拱架+钢筋网喷浆一次支护

（1）安全支护下开挖。

采用4m长11#工字钢作前探梁支护，通过卡环固定在后方钢拱架上。严禁爆破开挖。采用风稿、风锤、铁锹、铁棍等工具人工开挖迎头碎石，机械运输至井外。先开挖拱部，再开挖柱窝及下部。弱开挖、浅循环，开挖进度不大于0.8m，开挖时要对拱顶轻扰动，且不能破坏管棚。

（2）U25钢拱架支护。

进行量测施放线工作，确保支架架设质量。拱部开挖后铺设Φ8钢筋网，钢筋网格间排距为100mm×100mm，之后架设顶部拱梁，通过前探梁稳固顶梁。再开挖柱窝，安放C30混凝土砌块，架设两帮架腿，并与拱梁采用卡紧装置连接。拱架棚距中对中500mm，允许偏差0～+50 mm，架腿外岔角度80。拱梁与架腿搭接亲口合缝，拱架迎山有劲。拱架之间采用φ22mm螺纹钢、螺栓连接牢固。

（3）喷射混凝土支护。

对架设好的U25钢拱架进行喷射混凝土支护。采用425普通硅酸盐水泥、粗砂、粒径小于15mm碎石、速凝剂等材料，其配合比为水泥∶砂：石1∶2.5∶2，水灰比为0.5，速凝剂为水泥重量的4%。喷射混凝土等级为C20，喷射厚度为100mm。

3.3.3 混凝土浇筑二次支护及壁后注浆支护

二次支护采用全断面浇筑钢筋混凝土支护。钢筋为双层，主筋采用φ20mm螺纹钢筋，副筋采用φ12mm螺纹钢，间排距均为300mm，用铁丝绑扎。混凝土浇筑厚度350mm，强度为C25，采用机械振捣，连续浇筑。混凝土墙拱壁后采用注浆加固和防渗水，注浆材料采用425水泥、水玻璃，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.5，水泥浆水灰比为1：1。注浆孔深度3m，注浆压力为0.5～1.5MPa，注浆量根据设计要求达到充填巷道外不低于5m，通过检查孔检验注浆质量。

永久支护长度超过冒落处以外10m。

4  施工控制关键要点

（1）施工安全管控。

通过超前长探孔控制验证老空区位置，检测采空区瓦斯、发火、积水等详细参数，采取针对性措施，预防误揭穿老窑采空区。穿越老窑垮冒区过程中，垮冒破碎体的临时固化是提高其自稳性的重点，前探安全超前临时支护是顶板管理的关键，老空水的及时抽排、瓦斯等有害气体的安全通风是穿越老窑垮冒区的基本保障。

（2）井筒变形监测。

通过对井筒变形和受力状态的观测，并根据变形情况修改支护设计、完善支护工艺、强化支护效果。主要观测两帮位移、拱顶下沉、支护状况，处理量测数據，绘制量测关系曲线，进行回归分析、推算最终位移值、掌握位移变化规律，准确指导支护参数、支护工艺和施工方法，确保联合支护安全有效。

（3）施工质量控制。

对各级进行施工图纸、施工方案、工艺标准、质量检验标准技术交底，填写《技术交底记录》。工序质量控制中重点是巷道中腰线质量控制、开挖质量控制、安全临时支护及永久支护质量控制。工序施工必须按设计作业，工序报验必须按规范进行。质检工作要形成验收记录，质检工序要体现全过程，质检结果要抓好关键工序，确保施工质量达到设计标准。

5  结语

通过超前钻探、提前预报老窑采空区详实参数，制定专项针对性措施，按预案安全可控地处理老窑冒落区水害及瓦斯等有害气体。利用超前管棚、初喷混凝土、低压注浆等方式进行联合安全临时支护，可靠地控制了破碎体拱部，为有效开挖及永久支护创造了安全条件。采取浅循环、少扰动、人工开挖、优化支护、改进设计、完善工艺等手段，为井筒安全顺利地通过老窑冒落区提供了有力的技术支撑。

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