大傾角松軟煤層回采巷道構造段安全掘進研究

文志祥 周忠國 張孟軍 丁正付 劉建 陳虎

（四川省華鎣山煤業股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0.引言

綠水洞煤礦于1981年12月底建成投產，開采K1煤層，設計生產能力60萬噸/年，核定生產能力110萬噸/年。礦井為煤與瓦斯突出礦井，煤層具有自然發火傾向（Ⅱ類），發火期為65d，煤塵具有爆炸危險性，爆炸性指數為24.63%，礦井水文地質類型屬于復雜類型，無沖擊地壓，地溫正常，礦井地質構造復雜，斷層、陷落柱發育，對采區以及采掘工作面布置和回采具有較大影響。礦井313采區非常具有代表性，313采區位于龍王洞背斜東翼，分兩翼進行開采，南翼在F44逆斷層以南，布置的采煤工作面（3132工作面、3134工作面）已回采結束，北翼南靠F44逆斷層，北靠F45平移斷層，上部為龍王洞背斜軸部，下部為F201逆斷層影響帶，北部+790m水平以下標高+740m，南部F44以南位于5131、5132工作面以下，南端從3-1號勘探線以南320m起，北至6號勘探線止，采區標高+740m～+350m，對應地面標高+865～+1022m，相對高差282m～672m，采區走向長度約2700m，傾斜長度300～710m。在地質條件復雜區域，礦井掘進煤層回采巷道過程經常會遇到煤層松軟或斷層等構造地段出現垮冒，隨著煤炭大量垮落形成空洞和高冒區域，嚴重時甚至出現頂板垮落現象，大量瓦斯涌出造成掘進工作面瓦斯超限，給作業人員帶來安全威脅，必須立即停止作業撤人，不利于礦井安全管理和生產作業。對松軟煤層及地質構造區域的回采巷道進行超前治理和有效處理，就顯得尤為重要[1-6]。

1.技術方案

通過對在底板瓦斯抽采巷施工的地質鉆孔和穿層瓦斯抽采鉆孔進行分析，結合周邊已揭露區域地質情況，掌握回采巷道的地質條件，包括煤層賦存、構造等情況，修正煤層底板等高線，繪制巷道剖面圖，編制掘進工作面地質說明書；回采巷道掘進前采取超前注漿加固等措施對異常或構造區域進行處理，為后續巷道掘進創造條件；掘進至煤層松軟或斷層等地質構造采取超前支護措施，提前加固，若措施失效造成巷道出現垮冒、高冒的，立即停頭進行處理，防止掘進工作面進一步垮冒情況惡化；對形成高冒的區域進行噴漿和注漿充填，經效果檢驗合格后恢復掘進工作面正常掘進。

2.關鍵技術

2.1 預判分析

地質先行，通過已有的鉆孔成果進行認真分析，包括施工的地質鉆孔和瓦斯抽采鉆孔，掌握待掘回采巷道的地質情況，分析規律，了解掘進工作面煤層產狀（走向、傾向、傾角）、煤層厚度、起伏、斷層等構造情況，掌握掘進工作面瓦斯抽采情況及抽采薄弱區域范圍。對待掘回采巷道周邊已經揭露的區域地質情況進行綜合分析，推斷相關地質情況變化和影響范圍。通過預判和分析準確掌握掘進工作面地質條件變化區間，做好相關風險研判，制訂相應管控措施，提前準備相關技術方案、支護材料。

回采巷道掘進采取超前物探措施或按要求采用架柱式鉆機施工超前鉆孔，保證超前距不小于10m，對掘進工作面前方地質構造情況進一步探明。在條件允許的情況下，也可以采用槽波地震勘探技術對煤層賦存及面內構造情況進行探測。

2.2 超前治理

（1）通過底板瓦斯抽采巷超前對松軟煤體或構造地段進行加固處理。通過在底板瓦斯抽采巷利用已經施工好的穿層瓦斯抽采鉆孔或采用ZDY4000S型全液壓坑道式鉆機重新施工鉆孔（孔徑87mm），然后向孔內下DN50注漿管并進行封孔處理，封孔長度至少6m，向待掘回采巷道進行注漿加固，采用注水泥漿或礦用無機加固材料的方式。

（2）通過掘進工作面磧頭進行超前支護。采用DN25白鐵管（長度不低于3m）向磧頭施工超前管棚，當采用DN25白鐵管無法滿足現場需要時，采用15kg廢舊鋼軌或11號礦用工字鋼，長度4.0m～4.5m向磧頭配“U”型卡與現架料支護梁子連成整體，間距不大于0.1m，超前管棚前端削尖處理，末端靠在金屬防倒支架梁頭上，梁頭上放置方木或踩子板，采用12號鐵絲將管棚及方木踩子板固定在梁頭上。若煤體相當松軟時，則采取注漿加固處理，采用BW-250型泥漿泵或封孔注漿泵注水泥漿固化煤體，或者采用雙液注漿泵注入礦用無機加固材料，使掘進工作面前方煤體固化。

2.3 垮冒處理

（1）工藝流程：對掘進工作面進行安全檢查和隱患排查，開展“敲幫問頂”工作→采用木板在掘進機截割部位置對煤矸進行封擋（磧頭退后第三架錨棚支架處），防止煤炭繼續下滑→采用風煤鉆配螺旋鉆桿或濕式鑿巖機配5m釬子從錨棚支架梁子處向磧頭施工至實體煤（鉆桿和釬子不取）→在錨棚支架與金屬防倒支架間向磧頭斜向施工密集超前管棚（同步底板瓦斯抽采巷對應位置施工穿層鉆孔或利用已有的鉆孔對空洞內瓦斯進行抽采）→高冒區預埋噴漿管→瓦斯檢查→對高冒區進行噴漿充填→采用封孔注漿泵對超前管棚頂部松散煤體注水泥漿固化→待凝固檢驗后出煤矸→臨時支護→架設梯形支架、背幫背頂→對新架設的支架下側進行噴漿封堵（可先采用黃泥等對較大的縫隙進行堵漏，再對其表面進行噴漿支護）→通過底抽巷施工的穿層鉆孔注粉煤灰充填（若底抽巷注漿效果不好，則調整至回采巷道磧頭進行注漿）。

（2）煤矸封擋：當掘進機沒有來得及退出來時，在掘進機截割部位置采用1～2塊適當長度木板進行封擋，防止煤矸繼續下滑，在木板外均勻往下插入兩根鉆釬。

（3）初始管棚：采用風煤鉆配螺旋鉆桿或濕式鑿巖機配5m釬子從錨棚支架梁子處以仰角10°～25°向磧頭施工至實體煤（進入實體煤層不低于1m），鉆桿或釬子直接不取，均勻布置5組，間距0.4m。

（4）密集管棚：在錨棚支架與金屬防倒支架間以仰角10°～30°采用DN25白鐵管（長度不低于3m）向磧頭剎刁，間距不大于0.1m，盡量做到密集施工，管棚前端削尖處理，末端靠在金屬防倒支架梁頭上。若高冒區內堆積的煤炭在清收時全部垮空，則在磧頭采用15kg鋼軌施工密集抬棚，鋼軌的末端采用圓鋼卡固定在補架的金屬防倒支架梁子上面，支架至少保證2～3架，鋼軌前端插入煤體中，在鋼軌上方鋪設鋼筋網片及袋裝珍珠巖作為緩沖墊層，對金屬防倒支架與錨棚支架間采用方木架設木垛絞緊鎖口處理，防止密集抬棚被砸翹。

（5）噴漿封閉：在高冒段位置預埋3組噴漿管，噴漿管采用DN50帶盤的3m～4m鐵管。經底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔對高冒段瓦斯抽采至允許濃度（甲烷濃度低于0.5%）后對磧頭高冒區進行噴漿支護，噴漿厚度為0.8m～1.0m，強度等級為M15，噴漿采用P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，石粉采用堅硬的碎石，碎石粒徑不得大于6mm，其中碎石應保持清潔，不得混進雜質或含有粘土等，攪拌物料時，速凝劑采用“紅星一型”摻量為水泥重量的2.5%～4%，要求在3min～5min內初凝，10min內終凝，水泥及石粉配合比為水泥：石粉＝1:3.5，水灰比為0.4～0.45，采用鑿巖機或錨桿機施工鉆眼檢測噴漿厚度。

（6）注漿加固：對超前管棚頂部與噴漿充填墊層之間松散煤體采用BW-250型泥漿泵或封孔注漿泵注水泥漿固化。通過注漿管（端部為篩管）插入松散煤體后注水泥漿，保證在架料頂部形成一層厚度不小于0.8m的穩固層，采用錨桿鉆機或風煤鉆、濕式鑿巖機配套鉆釬施工注漿檢驗孔，檢查注漿效果，松軟煤塊是否成形，是否還存在松軟體，經效果檢驗未達到要求的，加密注漿管再補充注漿。

（7）支架架設：待注漿養護期達到后，對磧頭處堆積的煤矸進行清除，從現架料末端處采用短掘短支，架設4#金屬防倒支架，支架采用11#礦用工字鋼加工，梁子凈空長度3.3m，腿子長度2.8m，腿子腳窩深度不低于0.3m，棚距0.5m，架設后保證巷道凈高不低于2.5m，凈下寬為4.2m，在距底板0.5m位置兩幫腿子各采用一組φ=16mm，L=1.8m的脹殼式錨桿配托板進行鎖腳。在距巷道支架梁頭0.5m及中部采用15kg廢舊鋼軌或11#礦用工字鋼配“U”型卡連成整體，兩幫在距底板1m處采用15kg廢舊鋼軌或11#礦用工字鋼配“U”型卡連成整體。采用單體液壓支柱對支架進行支撐加固，防止高冒區內煤炭垮冒時壓垮架設的支架。過地質構造期間嚴禁使用舊腿子和梁子，以確保支架受力。

（8）噴漿堵漏：永久支護至磧頭后，對高冒段金屬防倒支架下方進行噴漿支護封漏，防止注漿時從支架縫隙內漏出。縫隙處采用口袋封嚴實。

（9）注漿充填：在回采巷道磧頭對應底抽巷處采用ZDY4000S鉆機施工穿層鉆孔2個穿透回采巷道頂部4m處空洞位置，孔內全孔埋設DN50白鐵管，封孔注漿長度不少于12m，鉆孔前期作為空洞內瓦斯抽放鉆孔，后期作為高冒點注粉煤灰眼孔，實現一孔多用，先注水泥漿形成封閉層，注水泥漿過程宜連續注入，實行手上交接班，若條件不允許，則在下班前應對注漿泵及注漿管采用清水進行清洗，防止鉆孔堵塞后續無法注入，封閉層厚度要求至少達到0.5m。在底抽巷通過穿層鉆孔對巷道高冒段注入粉煤灰進行充填，選料時先對粉煤灰過篩，濾除粒徑15mm以上的顆粒，水泥、粉煤灰、水充填物材料的比例1:3:4，和料時攪拌充分均勻至粘稠狀，采用BW-250型螺桿注漿泵將粉煤漿通過底抽巷穿層鉆孔送入回采巷道磧頭上方空洞內。如果粉煤漿發生泄漏流失，及時采取措施封堵，再注漿充填，一次不能完成充填飽滿的，再通過其他穿層鉆孔再次進行注漿。注漿泵吸管頭要加工篩管狀吸頭，防止大顆粒粉煤灰堵塞注漿泵，嚴格按照設計配比進行攪拌，防止水泥漿太稀造成跑漿、漏漿，水泥漿太濃稠容易造成塊狀物堵塞。各穿層鉆孔完工后孔口要封堵嚴實，直至達到養護期。若通過底抽巷注粉煤灰效果差時，可調整至回采巷道通過預埋的噴漿管或重新施工眼孔插入注漿管后進行注漿，確保空洞內注漿充填高度達到3m以上。

2.4 恢復掘進

待高冒區域注漿充填到位，采用錨桿鉆機打孔進行檢驗，確定充填封閉的厚度達到設計要求后，恢復掘進工作面的正常掘進。磧頭掘進前堅持施工超前管棚，使用好前探梁等臨時支護，采用短掘短支，即掘一架支一架，棚距縮小，直至掘進過構造地段后進入完好頂板3m后，根據頂板傾角情況確定恢復為錨棚支護。

3.實施效果

通過采取地質鉆孔剖析、穿層鉆孔分析、超前鉆孔探測、超前管棚支護、噴漿支護加固、注漿封閉充填等手段，礦井順利實現了313采區3133風巷、3135機巷等煤層松軟及斷層構造影響地段的安全掘進，對形成的高冒區域進行了有效快速處理，避免出現瓦斯超限和頂板垮冒。通過對松軟煤層采取注漿加固和超前管棚等措施，確保掘進工作面在可控有效措施范圍內作業，保證施工作業人員的安全，減少構造地段所帶來的安全威脅，避免長時間停滯造成煤炭垮冒加劇和接替失調。

4.結語

（1）回采巷道的安全掘進前提是地質資料清楚，確保掘進工作面在掘進過程能夠隨時掌控前方構造情況，提前采取針對性的治理措施，進行工程治災，避免出現遇到構造或異常情況就停頭長時間處理。

（2）要對掘進工作面的地質條件情況進行全面分析和掌握，提前準備好構造地段的各種支護材料，特別是超前支護所需的管棚和巷道支護使用的支架，做到隨時備用，用后補充。

（3）掘進工作面磧頭發現煤炭有松軟跡象，要毫不猶豫立即上超前支護措施，以防磧頭煤炭及三角煤垮落后向高幫及工作面內部延伸，做到及時處理，及時鎖口，嚴密封堵，確保在超前管棚有效支護范圍內向前掘進。

（4）要認真總結和分析掘進工作面過斷層等構造地段的處理方式，不斷總結先進經驗和做法，提高構造地段處理的安全可靠性，形成一套適合礦井實際情況的構造地段安全快速處理工藝流程，從構造探測、方案選擇、現場實施、效果檢驗、經驗總結等方面進行規范。

（5）要對回采巷道臨時支護進行優化和改進，確保掘進工作面在遇到地質構造段時能夠及時對暴露出的煤炭和頂板進行支護，要增強臨時支護的可靠性和適應性研究。