磁窯溝礦積水空區下回撤通道圍巖控制技術

王永茂

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司生產技術科，山西 河曲 036500）

回撤通道圍巖的穩定與否是決定工作面綜放設備能否安全快速回撤的關鍵[1-2]。磁窯溝礦13107工作面回撤通道上覆為原磁窯溝煤礦廢棄井筒，距離煤層露頭較近，存在一定量的空區積水。在13107 回撤通道掘進期間，頂板出現滲水，頂板潮濕。滲水區域處巷道頂板破碎，圍巖變形嚴重。后期雖采取了相關措施補救，但對巷道的掘進效率和工作面設備的回撤效率影響明顯。13108 回撤通道與13107 回撤通道工況條件相似，為了保證巷道圍巖穩定，實現安全高效生產，避免出現類似安全問題，對積水空區下回撤通道的圍巖控制技術展開研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

磁窯溝礦13108 回撤通道位于13108 工作面。該工作面開采13#煤層，煤層傾角3.4°，平均厚度為10.40 m，平均埋深143.5 m。煤層上覆松散層平均厚度35.25 m，基巖平均厚度82.1 m。13108 主回撤通道設計寬5.8 m，高4.2 m。輔回撤通道設計寬度5.2 m，高4.0 m。主副回撤通道長度均為240 m，按煤層腰線掘進，方位角270°。在77 m 和158 m 設長20 m，寬5 m，高4 m 的聯巷。主回撤通道東部為13108 回風順槽，西部為13108 運輸順槽，北部為13108 綜放工作面，工作面南部為設計的13108 輔回撤通道 （未掘進），回撤通道位置關系如圖1 所示。巷道鉆孔測試結果顯示，煤層直接頂為厚0.80～1.50 m 的泥巖和砂質泥巖，老頂為厚11.00～14.70 m 的粗粒砂巖和中粒砂巖。煤層直接底為厚1.20～2.81 m 的泥巖，老底為6.90～7.71 m 的粗粒砂巖和泥灰巖。13108 主回撤通道頂底板巖性如表1 所示。13108回撤通道上方均為原磁窯溝煤礦廢棄井筒，距離煤層露頭較近，存在一定量的空區積水。

表1 13108 回撤通道頂底板巖性

圖1 13108 回撤通道位置

1.2 工程問題

由上述工程概況可知，13108 主副回撤通道沿煤層跟腰線掘進，巷道頂板為3.1 m 的余煤和1.15 m 松軟的泥巖直接頂組成，兩幫均為軟弱的煤幫。同時，上方均為原磁窯溝煤礦廢棄井筒，距離煤層露頭較近，存在一定量的空區積水。相鄰13107 回撤通道在掘進期間，出現了巷道片幫、頂板破碎和頂板下沉嚴重等失穩問題。礦方采取了緊急補強措施，雖增加了巷道的安全性，但延誤了巷道掘進和工作面回撤工期，造成了一定的經濟損失。因此，為了避免13108 回撤通道出現類似安全隱患，急需探尋積水空區下回撤通道圍巖穩定性控制技術。

2 巷道失穩原因分析

為了確定積水空區下回撤通道失穩的原因，分別對13107 回撤通道滲水區域和非滲水區域的煤層頂板礦物成分和水樣進行測試，并借助FLAC3D模擬巷道失穩過程。

2.1 煤層頂板礦物成分分析

分別在13107 回撤通道滲水區域和非滲水區域采集煤層樣品，由太原理工大學對礦物成分進行了分析，13107 回撤通道煤層頂板礦物分析結果如表2 所示。

表2 13107 回撤通道煤層頂板礦物分析結果（%）

表2 顯示，13107 回撤通道煤層頂板礦物成分中約60%為軟巖礦物：斜長石、白云母、高嶺石和方解石等。非滲水區域樣品中的礦物成分較滲水區域，斜長石和方解石含量分別下降了8.8%和7.1%。而高嶺石和高嶺土含量分別增加了10.4%和4.4%。文獻[3]顯示，方解石與水相互作用下會腐蝕溶解，斜長石與水相互作用則可以生產高嶺石礦物。此外，高嶺石類礦物為膨脹性軟巖，遇水膨脹崩解。因此，根據煤層頂板礦物成分分析結果，推測空區積水下滲與煤層頂板內軟巖礦物相互作用，使強度較低空隙裂隙發育的煤層進一步膨脹崩解，裂隙和空隙進一步發育，導致煤層頂板強度下降[4]。

2.2 水質分析

為了進一步驗證上述猜想，分別在13107 回撤通道滲水區域和廢棄井筒采空區區域，取水樣進行化驗。山西省忻州市水質檢測中心化驗報告顯示，廢棄井筒采空區的水樣pH 為6.18，酸性。但13107 回撤通道水樣pH 測試為7.82，弱堿性。說明空區積水與煤層頂板中的礦物成分相互作用后，滲水區域水樣呈現弱堿性。

2.3 回撤通道數值分析

查閱相關文獻[4]，煤層頂板與水相互作用后，改變煤巖本身的結構，導致強度下降。借助前人研究結果，采用FLAC3D分別模擬水巖相互作用前和作用后回撤通道的穩定性。

（1）模型建立及網絡劃分

由于主副回撤通道工況基本相似，以主回撤通道條件進行模擬分析。巷道模型為5.8 m×4.2 m，研究區域網絡加密，以巷道軸線為中心向四周放射狀布置網絡。以5 倍作為巷道應力影響范圍，模型整體尺寸為63.8 m×63.8 m×10 m。

（2）模型賦參及邊界條件

根據文獻研究結果，對巷道上方的煤層和泥巖頂板區域分別采用不同的物理力學參數，模擬滲水區域和非滲水區域巷道頂板強度的變化。此外，通過Elastic 模型模擬模型的初始地應力，模型開采時采用Mohr 破壞模型。對模型z 方向施加重力加速度-10 m/s2，模型上表面距地表約100 m，對模型上表面z 方向施加-2.3 MPa 模擬模型上覆應力，側壓力系數設置為1.3。限制模型四周方向的位移，模型底部固支。

（3）模擬結果分析

根據模型的塑性區和應力數值模擬結果，沿13108 巷道斷面對模型進行切片，13108 回撤通道塑性區和位移云圖如圖2 所示。

圖2 回撤通道掘進數值模擬結果

圖2 中非滲水區域巷道塑性區破壞形式以剪切破壞為主，拉伸破壞為輔。滲水區域巷道塑性區頂板和兩幫破壞形式以剪切為主，底板主要為拉伸破壞。從破壞范圍來看，非滲水區域的破壞范圍是滲水區域的破壞范圍的52.6%～82.4%。從位移云圖來看，非滲水區域的頂底板位移量和兩幫位移量分別是滲水區域的76.3%～85.1%。因此，說明回撤通道頂板強度的下降，將導致圍巖變形量增加，進而導致巷道失穩[6]。

綜上可知，由于斷層或天然裂隙的存在，在回撤通道掘進過程中積水空區與巷道頂板有接觸的可能性。由于磁窯溝礦回撤通道頂板中含有軟巖礦物，在殘留的空區積水與煤層頂板相互作用后，頂板強度下降，進而引發巷道失穩。

3 積水空區下回撤通道圍巖控制方案

針對空區積水弱化巷道頂板，導致回撤通道失穩的問題，應從兩方面提高回撤通道的穩定性。一方面減少空區積水與頂板接觸，避免空區積水弱化頂板。另一方面增加巷道的支護強度，防止頂板強度下降，進而導致的支護強度不足。

3.1 回撤通道掘進期間防治水

為了減少空區積水與頂板的接觸，可采用以下防治水措施針對性解決空區積水對頂板的威脅。

（1）回撤通道掘進期間實行有掘必探，先探后掘的基本原則。采用瞬變電磁法和電探法相結合，提高積水空區的探測準確率和探測效率，準確判斷空區積水的位置。對于達到威脅程度的空區積水進行提前探放。

（2）在斷層和裂隙發育的構造區域注入馬麗散，減少圍巖的空隙和裂隙，增強圍巖強度。同時，減少空區積水與圍巖的接觸。

3.2 回撤通道支護方案

為了防止水巖相互作用導致頂板強度下降，應適當提高巷道支護強度。回撤通道支護方案如表3 所示。

表3 13108 回撤通道支護方案

由于13108 回撤通道斷面參數基本一致，輔回撤通道和聯巷在主回撤通道的支護方案基礎上對錨桿（錨索）間排距適當進行了調整[5-6]。

3.3 控制方案應用效果

在主副回撤通道分別布置5 個測站，每個測站兩個測點，利用十字測點法監測回撤通道的圍巖移近量[7]。以主回撤通道平均移近量數據（如圖3所示），分析13108 回撤通道圍巖控制效果。

圖3 13108 主回撤通道圍巖表面平均位移

由圖3 可知，13108 主回撤通道在掘進初期（0～5 d）的平均移近量快速增大，隨后隨著掘進距離的增加，均移近量逐漸下降。25 d 后圍巖區域趨于穩定，移近量以0.1～0.2 mm/d 的速度緩慢增加。在主回撤通道服務期內，頂底板和兩幫的最大移近量分別為33.5 mm 和34.8 mm，遠小于回撤通道斷面尺寸。回撤通道在服務期間，頂板未發現滲水現象，提高了巷道的掘進效率和工作面設備的回撤效率。

4 結語

磁窯溝礦13108 回撤通上覆空區積水與煤層頂板接觸后，頂板強度下降，巷道支護強度不足，是導致積水空區下回撤通道失穩的主要原因。針對性采用回撤通道防治水措施和加強巷道支護強度，能有效控制回撤通道的圍巖變形。服務期間13108 回撤通道圍巖表面移近量為33.5～34.8 mm，圍巖穩定。