15205回风顺槽过采空区安全技术研究与应用

姬剑中

（晋能控股煤业集团首阳煤矿，山西 晋城 048000）

能源问题一直以来都是世界性的科学问题，中国是一个富煤、少油的国家，因此，与其他国家相比，煤炭在我国一次能源消费占比长期居于70%以上[1]。在未来很长一段时间内煤炭作为我国主体能源的结构不会改变，其开采与消费直接影响着我国国民经济的发展[2]。在21世纪前，我国出现了大量的小型煤矿，这些小型煤矿开采无序，管理混乱，造成了一定的资源浪费[3]。随着“十二五”规划的实施，大量的小型煤矿被关闭和整合，但其无序开采遗留的问题，给当前的煤炭开采带来了相当大的困难。遭遇小窑采空区时，可发生突水、瓦斯突出、煤岩破碎等一系列问题，严重影响工作面人员和设备安全，因此，研究过小窑采空区安全掘进技术具有十分重要的工程意义[4-5]。

1 工程概况

首阳煤矿位于山西省晋城市，矿区附近有多条公路和铁路穿过，交通便利。首阳煤矿15205回风顺槽在掘进过程中揭露了小窑破坏区，该揭露区内围岩较为破碎且有部分水体渗出，直接威胁到15205掘进工作面的作业安全，亟需采取合理的掘进技术保证工作面快速、安全地通过小窑采空区。

2 工作面开采危险因素分析

由于15205回风顺槽上覆小窑采空区已形成多年，且无详细的开采资料，根据对小窑采空区的地质勘探结果和掘进工作面揭露的围岩情况综合分析，15205回风顺槽掘进工作面遭遇小窑采空区后面临的主要威胁包含以下几个方面：

（1）顶板大面积垮落。小窑采空区内的围岩已经受过一次开采破坏，虽然在长达十几年之久的自重应力作用下逐渐被压密实，但相较于其他围岩来说，采空区内的围岩仍较为破碎，强度较低。原小窑采空区基本都为裸巷，未采取任何支护措施，在经历二次开采扰动后，原本破碎的围岩体容易失稳，造成大范围的顶板垮塌，产生强烈的冲击荷载，对工作面人员和设备产生毁灭性的破坏，如图1。

图1 顶板大面积垮塌示意图

（2）突水。小窑采空区的围岩结构已遭受破坏，开采活动导致围岩体出现裂隙，产生了更多的导水通道，小窑采空区内常含有积水。小窑积水可沿导水裂隙层进入下方工作面，如图2，15205掘进工作面揭露小窑采空区后出现渗水现象。可见，突水威胁是15205掘进工作面面临的主要危险因素之一。

图2 矿井突水机理示意图

（3）瓦斯等有毒有害气体涌出。小窑采空区内含有瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体，遭遇二次开采扰动后，这些气体可沿围岩裂隙进入掘进工作面，一旦人员吸入这些有毒有害气体轻则昏迷，重则伤亡。且工作面开采环境对瓦斯浓度有严格要求，若瓦斯浓度超限，在电气设备工作时，极易引发煤与瓦斯爆炸事故。

（4）煤层自燃。15205掘进工作面揭露小窑采空区内含易自燃煤层，当掘进工作面揭露采空区后，氧气便可进入小窑采空区，条件成熟后，使煤层出现强烈的氧化还原反应，同时伴随烟雾、有害气体的产生。煤炭的自燃过程可划分为潜伏期、自热期和燃烧期三个阶段，如图3，煤炭自燃可引起高温、有害气体等威胁因素，影响工作面的安全。

图3 煤的自燃过程

3 小窑破坏区安全掘进技术

3.1 小窑破坏区域围岩控制技术

由于小窑破坏区内围岩破碎，需采取加强支护措施，设计采用“点柱+锚杆+锚索+钢筋网+喷射混凝土”的支护方式对揭露的小窑破坏区顶板进行加强支护。锚杆采用Ф20 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹锚杆，间排距1200 mm×1200 mm，每根锚杆配两卷树脂锚固剂。锚索为Ф17.8 mm的7股钢绞线，长度6.3 m，间排距2400 mm×2400 mm，每根锚索配备两根树脂锚固剂。钢筋网采用Ф6 mm钢筋网，网片长2200 mm×宽1300 mm，网格尺寸为100 mm×100 mm，材质为Q235钢，搭接长度100 mm，用14#绑扎连接，绑扎不少于三圈，双边隔孔相连。喷射混凝土强度等级为C20，喷射厚度不小于500 mm。点柱的主要作用是进行临时支护，点柱规格为Ф200 mm×4000 mm。当掘进工作面揭露小窑采空区后，在小窑破坏区顶板迎头打设三根点柱进行临时支护，点柱间距为2000 mm。

3.2 小窑破坏区域水害防治技术

在15205回风顺槽掘进过程中，在工作面上部安设瞬变电磁探测装置对小窑采空区的积水范围进行探测和验证。依据探测到的积水范围和积水量进行排放水设计，在15205回风顺槽掘进工作面设计20个排放水钻孔。采用勘探钻机施工排放水钻孔，钻孔仰角为25°～40°。钻孔时先以110 mm的孔径钻进10 m，之后采用70 mm的孔径钻至设计深度。排放水钻孔施工完成后应安设闸阀，及时封孔，避免出现钻孔坍塌等现象。需在15205回风顺槽掘进工作面布置两台抽水量不小于100 m3/h的备用水泵，当工作面出现积水时采用水泵及时排出。

加强对掘进工作面水害防治的现场监管，做好每班的现场涌水记录，观察是否有突水征兆的出现，若有可疑情况，及时向地面控制中心汇报，并组织作业人员有序撤出工作面。

3.3 小窑破坏区域注浆封堵技术

工作面注浆可有效封堵小窑采空区裂隙，防止有毒、有害气体随小窑积水涌入工作面，同时隔绝煤层与氧气之间的接触。由于15205回风顺槽所揭露的小窑采空区在不同范围的围岩破碎程度也不同，提出在15205回风顺槽采用复合注浆技术进行工作面预注浆。针对不同范围的围岩特性配比不同性能的浆液，使用最低的注浆成本达到较好的注浆效果，其原理如图4。

图4 复合注浆原理

4 结语

（1）对15205回风顺槽掘进过程中危险因素进行了分析，主要包括顶板大面积垮落、突水、瓦斯等有毒有害气体涌出和煤层自燃威胁。

（2）针对工作面在小窑破坏区所受威胁，采用“点柱+锚杆+锚索+钢筋网+喷射混凝土”的支护方式进行加强支护，并制定了水害探测、水害治理等方面安全技术措施。