小煤窑破坏区回采巷道补强支护设计及应用

崔瑞军

【山西汾西矿业（集团）有限责任公司 山西 介休 032000】

我国煤炭行业开始实施兼并重组的政策以来，上万座小煤矿被兼并重组。由于前期小煤窑开采缺乏资金及技术支持，不同程度的存在开采技术落后、勘探资料缺乏、管理混乱等问题，对完整的煤层形成了破坏，给整合后的大型煤矿采掘工作带来了很大的困难，特别是增加了安全生产的风险系数。汾西矿业集团柳湾煤矿周边曾有多个小煤窑进行过采掘行为，造成了大量纵横交错的采空区及老空巷道，存在老空水威胁，且无序采掘行为对煤层及顶板形成了不同程度的破坏，对整合后煤矿的采掘工作带来很大困扰[1-3]。本文以汾西矿业集团柳湾煤矿61115工作面材料巷为工程背景，对该工作范围内的采空区及老空巷道进行探测，在相关研究工作的基础上，设计小煤窑破坏区影响范围内的巷道围岩补强支护方案，并进行现场工业性试验。

1 工程概况

柳湾煤矿是汾西矿业集团的主力生产矿井之一，井田属于霍西煤田的北端部分，井田面积75.333 km2，现开采太原组10#、11#煤层。矿井设计能力30万吨/年，后经过三次大技改，现核定生产能力300万吨，公告产能为276万吨。柳湾煤矿61115工作面主采11#煤层，煤层厚度平均5 m，煤层倾角平均5°，采煤工作面为单一走向长壁后退式放顶煤采煤法，掘进工作面全部为综合机械化掘进。61115工作面材料巷，设计为回采时的进风、行人及材料运输巷，巷道埋深约90 m，属于浅埋煤层，巷道沿煤层底板施工。巷道煤质松软、硬度小，普氏系数为1，夹层较多，巷道顶板为煤层，直接顶为平均厚度2.7 m的黑色泥岩，老顶为K2灰岩，平均厚度为5.34 m，节理裂隙发育，为富含水层，巷道底板为铅质泥岩，遇水发生软化、膨胀。

工作面西南分布有曾采9#、10#、11#煤的胡家凹村南和贺家庄村北、贺家庄村南小煤窑，工作面东北分布有曾采9#煤的井沟矿小煤窑，且可能采动过10#、11#煤。大多数小煤窑都属于短期开采行为，基本上没有合理的规划，开采图纸及地质资料等缺失，矿井实际掌握的数据都极不准确，在后期开采时很难合理使用。

2 61115工作面材料巷支护难点分析

由于61115工作面处于小煤窑采掘破坏区，原始煤层及围岩结构遭受破坏，给工作面及巷道支护带来诸多困扰，分析61115工作面材料巷的支护难点主要包括以下几个方面：

（1）小煤窑无序开采造成了大量纵横交错的老采空区老巷道，采空区内部会聚集很多地下水，有可能还聚集了大量瓦斯，没有相关水文地质资料，回采过程中直接或间接揭露采空区积水，易造成矿井突水灾害，给整合后的大型煤矿布置工作面和回采带来很大困难。

（2）小煤窑开采技术相对落后，大多采用短壁式和房柱式等效率低下的开采方式，再加上开采后对采空区的不处理，导致很多小煤窑采空区存在顶板不易垮落的问题，如果不提前做好勘探工作，对于矿井的安全生产威胁较大[4-5]。

（3）由于小煤窑的无序开采，围岩的原始平衡状态被破坏，围岩长期暴露，裂隙发育，且巷道顶板及两帮均为强度较低的煤体，煤质松软、硬度小，夹层较多，煤层上为黑色泥岩，巷道底板为铅质泥岩，遇水发生软化、膨胀，整体围岩强度较低，再次受到采掘应力扰动及支承压力影响后，破坏区在复杂应力环境下进一步发育，围岩难易形成稳定的承载结构。

（4）支护方式不合理。在不受小煤窑采空区影响区域，现有支护方案支护效果较好，能够有效的控制巷道围岩的变形；但在小煤窑破坏区，巷道围岩破碎度高，自稳能力差，巷道易发生顶板下沉、片帮、底鼓，原有支护方案不能适应巷道围岩条件，支护效果极差。

3 巷道补强支护方案设计

针对此次补强支护，矿方高度重视，基于现场调研、理论分析、数值模拟等研究方法，对巷道补强方案进行合理化设计。

3.1 现有巷道支护方案存在的问题

61115工作面材料巷规格为4 700×2 800 mm，原支护方案为普通锚杆索联合支护，顶板为20#左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，长2 200 m，间排距850×1 000 mm，每排6根锚杆，W钢带宽度设计为280 mm，长度设计为4.45 m，采用直径为ϕ120 mm托板；锚索为单股钢绞线，直径17.8 mm，长3 500 mm，间排距1 200×2 000 mm，托板设计规格为300×300×16 mm。巷道帮部使用同规格锚杆，间排距1 000×1 000 mm，同时，由于煤体松软，煤柱支护强度差，为加强煤柱侧支护，巷道右帮每2 m布置一根锚索，规格为ϕ17.8×3 500 mm钢绞线，配以600 mm长的12#槽钢及配套锚具。具体支护方案如图1所示。

图1 巷道原支护方案示意图

常规情况下，现有支护方案支护效果较好，能够有效的控制巷道围岩的变形。但在小煤窑采空区及老巷影响区域，由于原采掘活动影响及本次采掘工作的反复扰动，在小窑的存在及采动影响下，巷道围岩支护变得极为困难，主要表现为两帮鼓帮严重、巷道底鼓、顶板离层下沉，严重区域顶板下沉达0.6 m，底鼓超过1 m，两帮移近量超过1.5 m，且发生过数次严重的冒顶事故，处理难度较大，工作面一侧的巷道变形尤为明显,同时，顶板离层较为明显，说明顶板锚索支护强度不足，应针对性补强。

3.2 巷道补强支护方案及参数设计

针对小煤窑与材料巷的具体关系及参数，当采空区位于巷道上方时，使用FLAC3D软件对巷道围岩变形规律及塑性破坏区进行模拟，并针对性设计补强措施。当巷道上方两侧均有小煤窑采空区时，根据数值模拟结果（如图2所示），巷道围岩破坏范围大，受采动影响后破坏范围增长显著。锚杆支护密度未做改变，只对失效锚杆进行补打即可；设计顶板补打4根ϕ17.8×8 000 mm加长锚索，保证锚索锚固点深入到稳定岩层中，巷道两帮共补强三根ϕ17.8×3 500 mm锚索，左帮补打2根，右帮补打1根，加密锚索支护。采用树脂加长锚固，锚固剂采用两支，型号分别为MSCK2355及MSK2355。具体参数如图3所示。

图2 小煤窑在巷道上方时塑性破坏区示意图

图3 巷道补强支护方案示意图

4 工程实践

按照所设计的方案进行巷道修复及补强支护施工，并着重加强了巷道表面位移观测及支护效果观测。修复后的观测周期共45 d，在巷道内布置6个测点，分别位于C18北30 m处，C18处、C18南30 m处、C18南60 m处、C18南90 m处、C16南10 m处，编号为1-6号，进行巷道表面位移实时监测，实际测点分布示意图如下：

图4 巷道表面位移观测点分布示意图

在整个观测期内（60 d），6个测点中测点3和测点4的累积变形量较大，顶底板移近量最大为165 mm，两帮移近量最大为180 mm，其他测点顶底板移近量和两帮移近量最大值不超过140 mm，巷道离层控制效果良好，围岩整体保持稳定，未发生新的冒顶事故，安全生产得到了保障。

5 结语

巷道支护方案设计有一套相对成熟的原则和方案，但针对特定的工程背景，还需要针对其地质生产条件设计合理的支护方案，特殊条件下必须适当增加支护密度来提高支护强度效果。本文即针对特殊的巷道支护条件，采用现场调研、理论分析、数值模拟等研究手段对巷道支护的关键技术进行研究，在分析原有支护方案缺陷的基础上，针对性设计补强支护方案，较好的契合了61115工作面材料巷的支护需求，在一定的支护成本的投入后，成功实施了巷道修复并保障了后期使用，实现了预期的安全及技术目的。