煤礦井筒穿越老窯冒落區施工實踐

楊家治

摘? 要：煤礦主斜井井筒施工過程中遇老窯采空區，通過斜井井筒穿越老窯冒落區采用超前管棚臨時支護、噴漿封閉掌子面、注漿加固迎頭前方冒落碎矸、人工短開挖、U25鋼拱架及二次混凝土永久支護、混凝土后注漿加固、防滲水、防瓦斯等技術手段和措施，實現了安全、可控、有效地通過了老窯冒落區，為以后類似工程地質條件的施工提供了一些參考經驗。

關鍵詞：煤礦井筒? 穿越? 老窯冒落區? 施工實踐

中圖分類號：TD262? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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

黔西縣陽和煤礦原設計只有主斜井和回風斜井兩條井筒，按高瓦斯礦井管理要求，需增設第三條斜井井筒，增強礦井的抗災能力。新增設的井筒作為礦井主斜井，鋪設 皮帶輸送機，主要負責礦井的煤炭運輸、進風和行人等任務。該工程項目在施工過程中，需從老窯采空區下方穿越通過，因設計井筒老窯資料不詳，出現老窯水侵入、老窯區應力集中釋放、上覆采空區冒落碎矸失穩等因素，致使斜井井筒在施工中冒落矸石，并與采空區導通，導致井筒無法正常施工。如何確保安全、可靠、有效的施工與進展，是整個項目管控的難點和重點。

1? 工程概況

該主斜井井筒與儲煤場有合理的相距距離，容易與地面生產系統連接，工程量相對較少，投資小，工期短，同時井筒井底與采區下山的聯系較為方便。其他設計比選方案比該方案存在明顯的不合理。

主斜井井筒設計長度800m，坡度為-80。，井筒凈斷面為10.3m2，墻高1200m，拱高1900m。建成后主要作為皮帶運輸、進風、行人等功能使用。表土段70m設計采用鋼筋混凝土支護，基巖段730m采用錨網噴支護，并在施工中視其圍巖條件改變支護方式，如通過錨索和超前導管來加強支護。

主斜井井筒穿層巖性主要有泥巖、菱鐵質灰巖夾粉砂巖、細砂巖、炭質泥巖、石灰巖及鋁土質泥巖。大氣降水、老窯積水、裂隙水、巖溶水，特別是煤層露頭附近廢棄老窯積水，是本工程防治水的重點。井筒施工中，若揭穿老窯采空區，將有瓦斯等有毒有害氣體及老窯水的涌出等現象。

陽和煤礦為非煤與瓦斯突出礦井，按高瓦斯礦井管理;煤塵無爆炸性;煤層自燃傾向性為三類，屬不易自燃煤層。礦井在生產過程中未發生過沖擊地壓。

陽和煤礦主斜井井筒穿越老窯地質資料不詳，采用超前鉆孔對上部及前方進行探水、探有毒有害氣體、探采空區等手段進行施工安全控制。通過探控探掘、短掘短支、鉆孔泄排、瓦斯控排、礦壓監測等技術措施，對老窯水、老空瓦斯等有害氣體進行了安全排放管理。但井筒施工至353m處，長度約10m井筒與采空區的有效巖柱不足3m，因老窯水侵入、老窯采空區冒落碎矸失穩、采空區壓力集中顯現等因素，致使斜井井筒迎頭段后方20m冒落矸石，并與采空區導通，導致井筒無法正常施工。

該工程已施工近一半，且無其他更合理的替代方案，如何采取安全的作業方法、可靠的支護手段、合理的操作工藝、可行的技術措施是通過此老窯冒落區的關鍵。

2? 防治老窯區災害措施

2.1 探測老窯區

采用鉆探方式進行探測，對鉆探結果進行匯總，并將成果資料測繪在采掘工程平面圖上。同時現場進行量測、標定、警示。對探明的老窯區進行實時監測，掌握老窯區內的瓦斯、積水、發火等情況，采取針對性安全措施。

2.2 處理老窯區積水

充分分析研究老窯采空區的分布范圍、積水面積、積水水量、積水壓力等水文地質資料。根據探放水量構筑臨時水倉，設置排水設備。采用ZY-1250型鉆機探放老窯水，分別在拱頂、拱腰共布置3個探放孔，鉆頭直徑φ75mm，探放孔深度不小于80m，斜井井筒施工中預留安全屏障不低于25m。探排老窯積水過程中，探水孔深入老窯采空區水體，監測監控排水情況，掌握核實排水量、排水壓，直至排水結束為止。

2.3 防排老窯區瓦斯等有害氣體

一是探放孔排放，通過探放水鉆孔排放老窯采空區瓦斯。二是采用施工鉆孔自然排放，若瓦斯含量高，涌出量大，在井筒掌子面超前老窯采空區15m布置瓦斯排放鉆孔，鉆孔直徑φ75mm，鉆孔間距0.6m，排放達標后進行施工，留5m安全屏障后進行下一輪鉆孔排放。三是采用負壓抽排的方式進行抽排，若鉆孔排放效果不佳，周期長，則對瓦斯排放鉆孔進行抽排，瓦斯含量、濃度等符合要求后繼續施工。

3? 冒落區處理方案

3.1 支護技術原理

井巷支護的核心原理是將支護體系與井巷圍巖當作一個統一的整體，通過支護體系與圍巖的相互作用，充分利用支護體系與圍巖的自身承載能力或自穩能力，改變支護結構，優化支護方式，改善圍巖力學性質，提高圍巖自身承載能力，有效控制圍巖變形，提高支護的穩定性。

老窯冒落區堆積的巖石碎矸，其圍巖自穩能力幾乎失效，僅靠支護體系控制變形，對井巷支護的穩定性會產生極大的影響甚至破壞。因此，應提高冒落區堆積的破碎巖石的自穩能力，同時要求支護體系預留一定的可縮性，釋放小部分圍巖變形能量。采用可縮性支架進行前期支護，允許圍巖有限度的變形位移，避讓前期部分應力，緩解降低支撐壓力，均勻分布圍巖對支護體系的作用力，以達到理想的支護效果。可縮性支架的可縮量發揮完畢時，即由柔性支護轉為剛性支護，對圍巖進行強支撐作用。

3.2 技術參數設計

老窯采空區巖石已跨冒、破碎、松散，無完整性，不具備自穩性和承載力。通過對松散體進行注漿以提高松散圍巖的整體性和自承載力，確保支護體的穩定性和相互作用并達到共同支撐的效果。同時注漿后，充填支護體壁后空洞、防止水和瓦斯積聚、消除安全隱患。支護體采用聯合支護，提高支護效果、降低圍巖變形、減少工程維修。

（1）井筒斷面：井筒凈斷面積按原設計。井筒開挖斷面在原掘進斷面的基礎上擴大施工，巷道兩幫及拱頂均擴大0.6m，開挖斷面寬度為4.8m，高度為3.6m。

（2）臨時支護：采用3.5m超前管棚、初噴射混凝土封閉掌子面、迎頭前方碎矸進行低壓注漿固化、架設兩根4.0m前探梁等臨時支護形式。

（3）永久支護形式。

①一次支護：采用U25型可縮鋼拱架+錨網初噴混凝土支護。可縮支架中心間距500mm，支架間采用Φ20 mm圓鋼連接牢固。錨噴支護主要采用鋼筋網、噴C20混凝土支護。

②二次支護：巷道全斷面澆筑鋼筋混凝土支護，鋼筋采用雙層，混凝土澆筑厚度為0.4m，混凝土強度采用C25。

3.3 施工工藝方法

通過對老窯冒落區情況的綜合分析，確定采用超前管棚臨時支護巷頂上前方、初噴支護封閉整個掌子面、注漿臨時加固迎頭前方冒落碎矸、人工短開挖、U25鋼拱架支護開挖空間、二次混凝土永久支護、混凝土后注漿加固及防滲水等技術手段和一系列措施，安全順利地穿越了老窯冒落區。

3.3.1 超前安全支護

（1）對冒落處后方10m井筒進行加固。老窯采空區冒落后，在冒落處向外形成集中高應力區，壓力顯現尤為嚴重，破壞圍巖強度大，采用U25鋼拱架、間距0.5m對冒落處后方10m井筒進行加強支護。

（2）采用超前管棚處理冒落處頂部碎巖。超前管棚的主要功能是形成梁拱殼狀結構、增強圍巖自承能力、減少圍巖擾動破壞程度、緩沖上覆塌渣沖擊影響。施工時，在U25鋼拱架支護的上部向冒落區施工超前管棚，采用Φ42mm無縫鋼管，管棚孔間距為0.3m，長度為3.5m，縱向每環搭接不小于1m，管棚向外插角130。嚴格控制施鉆位置，管棚不得進入開挖輪廓線內，管棚相鄰鋼管之間不得交叉、碰撞。

（3）對冒落處頂部及掌子面進行噴漿封閉支護。其主要作用是封閉冒落破碎巖體，固化破碎帶表面，增強破碎體自承強度。采用425普通硅酸鹽水泥，噴漿配合比水泥：砂為1：2（重量比），水灰比0.5，速凝劑為水泥重量的4%。噴射厚度為50～70mm。

（4）注漿加固待開挖區冒落碎巖。通過對待開挖區冒落碎巖進行預注漿，將松散體巖石進行固化，使其在開挖過程中具有承載能力，達到開挖空間自穩效果。注漿參數：水灰比0.6～0.8∶1，注漿壓力0.5～1.0MPa，水玻璃溶液（濃度為30BE，）與水泥漿體積比為1：1，注漿量達到設計的80%。凝固時間24h。

3.3.2 U25鋼拱架+鋼筋網噴漿一次支護

（1）安全支護下開挖。

采用4m長11#工字鋼作前探梁支護，通過卡環固定在后方鋼拱架上。嚴禁爆破開挖。采用風稿、風錘、鐵鍬、鐵棍等工具人工開挖迎頭碎石，機械運輸至井外。先開挖拱部，再開挖柱窩及下部。弱開挖、淺循環，開挖進度不大于0.8m，開挖時要對拱頂輕擾動，且不能破壞管棚。

（2）U25鋼拱架支護。

進行量測施放線工作，確保支架架設質量。拱部開挖后鋪設Φ8鋼筋網，鋼筋網格間排距為100mm×100mm，之后架設頂部拱梁，通過前探梁穩固頂梁。再開挖柱窩，安放C30混凝土砌塊，架設兩幫架腿，并與拱梁采用卡緊裝置連接。拱架棚距中對中500mm，允許偏差0～+50 mm，架腿外岔角度80。拱梁與架腿搭接親口合縫，拱架迎山有勁。拱架之間采用φ22mm螺紋鋼、螺栓連接牢固。

（3）噴射混凝土支護。

對架設好的U25鋼拱架進行噴射混凝土支護。采用425普通硅酸鹽水泥、粗砂、粒徑小于15mm碎石、速凝劑等材料，其配合比為水泥∶砂：石1∶2.5∶2，水灰比為0.5，速凝劑為水泥重量的4%。噴射混凝土等級為C20，噴射厚度為100mm。

3.3.3 混凝土澆筑二次支護及壁后注漿支護

二次支護采用全斷面澆筑鋼筋混凝土支護。鋼筋為雙層，主筋采用φ20mm螺紋鋼筋，副筋采用φ12mm螺紋鋼，間排距均為300mm，用鐵絲綁扎。混凝土澆筑厚度350mm，強度為C25，采用機械振搗，連續澆筑。混凝土墻拱壁后采用注漿加固和防滲水，注漿材料采用425水泥、水玻璃，水泥漿與水玻璃的體積比為1：0.5，水泥漿水灰比為1：1。注漿孔深度3m，注漿壓力為0.5～1.5MPa，注漿量根據設計要求達到充填巷道外不低于5m，通過檢查孔檢驗注漿質量。

永久支護長度超過冒落處以外10m。

4? 施工控制關鍵要點

（1）施工安全管控。

通過超前長探孔控制驗證老空區位置，檢測采空區瓦斯、發火、積水等詳細參數，采取針對性措施，預防誤揭穿老窯采空區。穿越老窯垮冒區過程中，垮冒破碎體的臨時固化是提高其自穩性的重點，前探安全超前臨時支護是頂板管理的關鍵，老空水的及時抽排、瓦斯等有害氣體的安全通風是穿越老窯垮冒區的基本保障。

（2）井筒變形監測。

通過對井筒變形和受力狀態的觀測，并根據變形情況修改支護設計、完善支護工藝、強化支護效果。主要觀測兩幫位移、拱頂下沉、支護狀況，處理量測數據，繪制量測關系曲線，進行回歸分析、推算最終位移值、掌握位移變化規律，準確指導支護參數、支護工藝和施工方法，確保聯合支護安全有效。

（3）施工質量控制。

對各級進行施工圖紙、施工方案、工藝標準、質量檢驗標準技術交底，填寫《技術交底記錄》。工序質量控制中重點是巷道中腰線質量控制、開挖質量控制、安全臨時支護及永久支護質量控制。工序施工必須按設計作業，工序報驗必須按規范進行。質檢工作要形成驗收記錄，質檢工序要體現全過程，質檢結果要抓好關鍵工序，確保施工質量達到設計標準。

5? 結語

通過超前鉆探、提前預報老窯采空區詳實參數，制定專項針對性措施，按預案安全可控地處理老窯冒落區水害及瓦斯等有害氣體。利用超前管棚、初噴混凝土、低壓注漿等方式進行聯合安全臨時支護，可靠地控制了破碎體拱部，為有效開挖及永久支護創造了安全條件。采取淺循環、少擾動、人工開挖、優化支護、改進設計、完善工藝等手段，為井筒安全順利地通過老窯冒落區提供了有力的技術支撐。

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