湖南核工业建设有限公司 项目总工 山西太原 030000
摘要：山西省煤炭行业自2008年开始实施的大规模资源整合行动，使得大型煤炭企业兼并重组了众多小煤窑，并于2011年末基本完成。山西汾西矿业集团宜兴煤业就是其中一个案例。宜兴煤业的小窑破坏区在井田的中央，在井下巷道开掘过程中，要穿过小窑破坏区。由于此矿井原小窑发生过重大瓦斯爆炸事故，使得在实际的施工过程中，除了需要应对小窑破坏区经常性的安全技术问题外，还要应对由于瓦斯爆炸引起的一些附带效应①所产生的新的工程课题。在具体施工中，施工企业根据矿井条件、所施工井巷工程的不同技术要求及用途、新近或邻近揭露的老空情况，依靠丰富的施工经验，综合采取了探放水、科学选择掘进方式和机械、补强支护、“一通三防”管理、老巷密闭等一系列系统性安全技术和施工措施，有效地解决了通过小窑破坏区、穿越老巷所遇到的经常性安全技术问题。为了有效解决现场遇到的各种新的工程课题，施工企业通过科学分析、现场实验、不同结果比对、不断总结技术方案的可行性，通过采用瓦斯抽放、工作面注浆、复合支护技术②等探索性技术方案，最终安全有效地解决了发生过瓦斯爆炸引起的一些附带效应所产生的新的工程课题，探索出多种针对性较强的切实有效的方法。尤其是针对小窑破坏区老窑积水的处理上，利用原小窑竖井采取“先抽”，利用井下工作面钻孔“后排”的做法以及对由于瓦斯爆炸引起的附带效应所产生的新的工程课题的对策为许多矿山企业提供了借鉴和参考。
关键字：小窑破坏区、探放水、瓦斯抽放、瓦斯爆炸附带效应、工作面注浆
1矿井概况及小窑破坏区分布情况
宜兴煤业在山西省孝义市，井田中央为原村办小煤矿，见图1。原小窑采用3个竖井开拓，采用房柱式采煤，开采2#煤层，煤层厚度1.6~2.0m。原小窑2003年发生特大瓦斯爆炸事故。宜兴煤业成立后，扩大了井田边界并进行全面技改，主要开采2#煤层。区内地层为简单的单斜构造，偶有小起伏。除老窑积水外，水文地质较为简单。矿井为低沼气矿井，2号煤层的顶、底板属中等稳定。原矿图只能反映小窑采掘活动的大致位置，可做为有益的参考。
2工程概况
穿小窑破坏区相关工程为轨道、胶带、回风三条大巷的南延，及工作面构系统工程，见图2。
三条大巷断为矩形断面，掘进断面平均为18m2，均沿2号煤层顶板掘进。构系统工程为直墙半圆拱形，按设计标高掘进，掘进断面约15 m2。所有工程均采用锚网喷支护。
3巷道穿越小窑破坏区的主要不安全因素的确定
穿越小窑破坏区的主要不安全因素包括：（1）老窑积水；（2）瓦斯、CO等有害气体；（3）不稳定顶板；（4）瓦斯爆炸附带效应，如：原有大量老巷因冒顶、片帮、底鼓等原因被破碎（煤）矸充实；老巷周围未扰动围岩的再生裂隙以及有害气体的充盈等。
根据之前揭露的老巷情况来看，瓦斯爆炸附带效应只在局部区域出现。经粗略估算，约占小窑破坏区的3/5，这与当时小窑的井巷开拓情况、通风方式、支护形式、采掘活动范围、瓦斯爆炸核心区域等因素有关。
4.巷道穿越小窑破坏区相关方案及措施
根据矿井总体设计、小窑破坏区情况，结合工程本身，确定以下穿越小窑破坏区的系统性措施及方案。
4.1“先抽后排”的老窑积水抽排方案
在原小窑的三个竖井中，选择马头门底板标高相对最低的3#竖井，在井筒内安装一台250QJ/50-500深潜泵和一趟Φ108钢管。在三条大巷南延距离小窑破坏区边界100m前，完成对井筒及小窑破坏区积水的集中抽排。集中抽排完成后，继续对3#竖井进行日常抽排，直至井下巷道掘至3#竖井附近，建立好永久的排水站点。对3#竖井进行日常抽排时，深潜泵底部距离井底马头门底板约10m。
3#井筒垂深521m（至井底马头门底板），抽排前井筒内水位距井口50m。当轨道大巷南延至距小窑破坏区边界100m位置处时，3#井底马头门底板标高H井底与轨道大巷工作面的底板实测标高H工作面的高差Δh1=H井底-H工作面=25m。通过粗略计算,3#竖井抽排水前相对于距小窑破坏区边界100m处轨道大巷工作面的水头差为（521-50+25）/100=4.96MPa；抽排水后对应的水头差为（10+25）/100=0.35MPa。3#竖井抽排水工作提前一年开始实施，有效排水时间将近12个月，通过在井口地表安装的排水流量计显示，至集中抽排结束时实测排水量近26.8万m3。因此，通过在3#竖井的抽排水，消除了三条大巷南延时最大的水患危害，有效减小了三条大巷工作面探放水的操作难度与排水压力。
4.2掘进工作面“有掘必探，先探后掘”
(1) 掘进前对工作面进行探水，先物探再钻探，保证“有效钻探80m，允许掘进50m，超前距30m”。探水采用ZYJ380/210型架柱式液压回转钻机，钻后掘进工作面挂设“探放水牌板”。允许掘进距离到位后，给掘进队发放“停掘通知单”。
(2)钻孔设计：工作面正前沿煤层布置五个钻孔，钻孔设计直径65mm、设计长度80m，最外两个钻孔孔底位于巷道两帮以外20m处，钻孔设计应依据物探结果和实际效果不断优化。
(3)工作面排水设施准备：提前完善排水设备和设施，配备两台37kw水泵，一用一备，安装Φ159mm排水管并与大巷内永久排水管路联接，增设止回阀。设置永久和临时水仓。
(4)钻探防突措施：孔口安装止水套管，采用金刚钻头钻进，开孔采用Φ133mm的钻头，下入Φ89mm套管，套管长度6~8m，套管用锚杆及专用套架固定。套管上分出支管安装压力表，套管外口接高压阀，钻探时采用Φ65mm的钻头钻进至终孔。
(5)钻探情况判断方法：①打钻时，发现煤层疏松、片帮，来压或钻孔内水压、水量突增时，以及有顶钻等异常情况时，说明与带压老窑积水导通，此时不要急于拔出钻杆，应马上将钻杆固定，根据现场水压、水量及工作面周围岩（煤）体受压情况及时采取对应措施，并向地面报告。②打钻时，若钻杆突然顶入或钻进阻力明显持续减小、孔内回水减少或无回水，说明前方遇到老巷，且没有或无明显的老窑积水；若钻孔内回水增加、变清，但没有出现明显顶钻、带压等情况，说明前方遇到的老巷内的老窑积水基本不带压或压力较小。③打钻时，若前方钻进阻力突然明显加大、或受力不均衡出现间歇状卡钻情况，且孔内回水明显减少或变浊，说明前方探到老巷，且老巷内已由破碎岩（煤 ）体充实，这是瓦斯爆炸事故附带效应的一种。
在轨道大巷第一次与小窑破坏区的老巷贯通时，老窑积水的情况和计算情况基本符合，老窑积水初排时压强不足0.4MPa，排放水量近4200m3。
4.3掘进工艺的选择
三条大巷采用综掘工艺，使用EBZ260悬臂式岩巷掘进机进行破、装、转作业。机体配备内外喷雾，也可另外加装引射器，对切割头处加强喷雾。
构系统工程采用炮掘工艺，利用光面爆破、正向装药、水炮泥、放炮自动喷雾等技术，减少对围岩的扰动，控制成形，控制爆破中火花的产生，有效抑制粉尘产生。装岩用ZWY-120挖掘装载机。
4.4揭露并穿越老巷时掘进、支护方案
根据钻探结果，推算前方老巷的分布情况，编制穿越老巷专项安全技术措施。在揭露老巷5~8m前，调低正规循环作业进尺、最大控顶距和最小控顶距，直至通过老巷5~8m后恢复正常。在揭露老巷前5m至穿过老巷5m段，采取增加锚索密度、增设钢带、架设棚梁等补强支护措施。永久支护用好临时支护，严禁空顶作业。与老巷贯通时，先在煤层内小断面贯通，再视情况逐渐扩大至全断面。
4.5多种措施进行瓦斯治理
本矿按高瓦斯矿井进行通风管理。
(1)工作面通风采用两台大功率对旋风机，一用一备，配备Φ800mm胶质风筒，对掘进工作面独头供风。风筒出风口距离工作面的距离小于6m。风机可自动切换，实现风电闭锁和瓦电闭锁，完善监测监控。
(2)探水钻孔内瓦斯超高的应对方案：当探水钻孔与前方老巷贯通后，有多次出现钻孔内瓦斯居高不下的情况，最高时钻孔内瓦斯浓度达到34%。为减少孔内瓦斯对工作面正常掘进时的影响，采取了逐段堵孔措施，即每次掘进前用黄土对钻孔进行封堵，堵孔长度比本次掘进进尺多300mm。
(3)与老巷贯通时的瓦斯处理方案：与老巷贯通距离剩余1m时，边洒水边用风镐在煤层中先通一个0.2m2的小洞。随即测风、调风、对瓦斯进行检查。对瓦斯进行通风稀释后排放，待老巷内瓦斯浓度稳定降到1％以下时，再渐渐扩大至全断面。
(4)贯通后老巷处理方案：清出老巷后，停下迎头对老巷短掘（清矸）短支，再砌筑密闭墙，密闭墙要伸入围岩至少300mm深。密闭墙采用M10水泥砂浆砌筑两道800mm厚料石墙，中间填充1000mm的黄土，密闭墙外侧留有1000mm空间至巷帮。密闭墙按要求预埋好钢管并安装阀门。
（5）在加强瓦斯管理的同时，同步做好机电防爆管理。
5原小窑瓦斯爆炸附带效应带来的新的工程课题及处理方案
5.1工程课题之一及处理方案
老巷附近岩（煤）体再生裂隙发育、裂隙内瓦斯充盈，及由此造成的无法进行爆破作业的问题是工程课题之一。
如图：在1206运巷构系统工程的施工过程中，采用炮掘工艺。过了交岔点牛鼻子5m后继续向正西方向掘进。掘进前进行了钻探作业，结果5个钻孔都探到了老巷，并结合施工地点周围已揭露的老巷情况，推算出前方老巷的基本分布情况及大致走向，见图3。
(1)钻探情况及工作面现场勘察情况：钻探结果显示正前方18.55m会遇到老巷，且该18.55m段左右两侧均是老巷。老巷内无老窑积水，且大部分被碎矸充填。但5个钻孔内瓦斯浓度最低的达25.5%，最高的达到31.1%。现场勘察情况：工作面煤体有明显受压情况，煤体没之前致密，易用镐头开挖，易碎。顶底板岩层裂隙较发育，通过在岩体上钻孔，所施工的四个钻孔内的平均瓦斯浓度达到17.3%。
(2)爆破作业可行性分析：考虑到周围都是老巷，距离较近。如采取之前的炮孔封堵措施继续爆破作业，爆破产生的爆轰波及地震波效应会使周围围岩的裂隙进一步加速发展，两侧保安煤柱薄弱处甚至会与老巷产生贯通裂缝。考虑到裂隙内原本瓦斯充盈，这种条件下若继续爆破作业，大概率会造成瓦斯事故。因此，工作面如不采取更可靠的技术方案，严禁继续爆破作业。
(3)采取的措施
针对上述情况，采取了两种措施并进行优选：
①瓦斯抽放：连续5天抽取瓦斯近23000m3，之后检查5个钻孔内瓦斯浓度并没有明显下降。失败原因分析：小窑破坏区面积大，巷道相互联通。既没全区域封闭，也没办法对周围相关联老巷进行小范围封闭。抽放期间有大量空气补充，特别是三个原有竖井井筒都未封闭的情况下。这种情况下抽取瓦斯不仅不能使老巷内瓦斯浓度降下来，还会因负压的作用，形成此处瓦斯积聚。因此，此方案不可行
②工作面注浆：当前巷道要穿过老巷密集区，而工作面注浆可以有效解决穿越前方破碎带、冒落区，并起到充填裂隙、固化等作用。在施工中，采取的相关措施如下：
止浆墙设计：为防止受压浆液从工作面涌出，确保注浆效果，注浆墙采用预留止浆岩柱法，预留止浆岩柱厚度2m 。因是半煤岩巷道，并对中间1.8m厚煤层部分，采用锚网喷联合支护予以加固处理，钢筋网采用双层Φ6.5盘条加工的网目为150Х150mm的钢筋网，钢筋网应超过煤体至少200mm，并用Φ22Х2500mm的螺纹钢锚杆将超出部分的网片按800mm的间距锚固到底板及上部岩体中和两帮煤体中。煤层中部采用Φ21.6Х2500mm锚索按800Х1000mm的间排距水平锚固在正前方的煤体中。
注浆方式选择及段长选择：采用分段前进式注浆方式，注浆小分段长度一般根据钻孔冲洗液的漏失量和维护孔壁的难易程度而定，根据经验“微弱漏失”时小分段长度大于5m，“大量漏失”时小分段长度小于2m,本案采用3m段长。
注浆孔数选择：本案实体部分裂隙多且为细裂隙，裂缝宽度在0.3~3mm之间，注浆孔数应较多一些，实际作业时按14个作业。
工作面注浆孔的布置：本案注浆目的主要为封堵裂隙、破碎体加固，因此采取放射状布孔，结合本案老巷的分布情况，确定终孔位置超出巷道掘进轮廓线2~3m，终孔间距基本相同，见图4。
钻机选型：同探水钻机，注浆孔直径Φ75mm。
注浆设备：选用矿山专用2TGZ60/210高压注浆泵，注浆站设置在巷道内。
注浆浆液的选择：本案注浆的目的是渗透和加固。根据不同浆液的性能、适用范围、材料来源难易程度及现场条件，本案注浆时选择了单液水泥浆，水灰比1：1，为改善注浆效果，加入3%的水泥用量的水玻璃。
注浆工序确定：分段前进式注浆工序为，见图5。
工作面注浆参数：浆液的选择注浆终压为1MPa，
浆液注入量为2~4m3/m（越靠近老巷数值越大）,注浆孔冲洗液漏量15~40m3/(min?m) （越靠近老巷数值越大）
注浆结束标准：实际浆液注入量大于或接近设计计算的注入量；注浆压力呈规律性增加，并达到注浆设计终压1 MPa；维持终压、终量的时间为5~10min。
注浆效果检验：注浆后，在工作面施工检查孔5个，其中煤层中3个，岩层中2个，孔深5m。有3个钻孔底部超出掘进断面轮廓线外2m处。测量孔内瓦斯浓度均小于1%，钻孔内回水正常，无明显减少情况。说明注浆效果较为明显，之后恢复了爆破作业，顺利完成剩余掘进任务。
5.2工程课题之二及处理方案
一方面，原有大量老巷发生大范围的冒顶、片帮、底鼓，老巷被破碎（煤）矸充实；另一方面老巷附近原来采掘时未扰动围岩产生大量的再生裂隙。这两个方面引起的掘进与支护问题是工程课题之二。
在采取了工作面注浆措施后，不但解决了瓦斯问题，还同时对此段破碎带进行了固化。在注浆工作完成后，可恢复掘进，实施爆破作业。
为确保掘进、支护过程中的安全问题，工作面开挖采用正台阶法，上台阶超前下台阶一个正规循环作业进尺的长度。与此同时变更原有的锚网喷支护方式为锚网喷和槽钢拱架复合支护，并根据拱架规格调增掘进断面。拱架采用[18槽钢加工成可组装的，并按照巷道锚杆设计位置在拱架上预留出孔洞。先施工上台阶再施工下台阶，短掘短支。复喷后，确保巷道净断面满足设计要求。
6结论
本文通过真实案例，详细讲解了宜兴煤业井下巷道安全穿越曾发生过瓦斯爆炸事故的小窑破坏区的工程实践 ，得出下列结论：
(1)为了老窑积水的安全可靠排放，本案充分利用了小窑的原有竖井这个有利条件，采取在地面先抽排、井下工作面钻孔探放水的综合措施，有效地排除了老窑积水这一重大隐患，减少了井下排水的难度。
(2)针对因瓦斯爆炸附带效应产生的新的工程课题，特别是围岩裂隙发育、瓦斯充盈及由此引起的不能继续爆破作业的问题，施工企业进行了大胆的探索和尝试，最终通过工作面注浆技术，选用了水泥单液注浆材料，实现了渗透注浆和固化注浆的目的。现场操作时，应根据现场工程条件，科学运用注浆材料、参数与方法。
(3)本文针对各种工程课题所采取的一系列技术方案不是独立的，而是全面的、系统的。这对类似工程具有重要的参考、借鉴价值。
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作者简介：李小明(1981~)，男,山西运城人， 本科，湖南核工业建设有限公司，长期从事矿山井巷工程施工项目的技术和造价管理工作。
注
①瓦斯爆炸附带效应：指煤矿瓦斯爆炸事故发生后，产生的一系列危害效应，详见文章相关内容的论述。
②复合支护技术：是井巷工程施工中，将喷射混凝土支护与锚杆支护、注浆、钢筋网、钢带、钢拱架、管棚等支护方法的两种及两种以上同时采用、配合进行，以提高掘进施工安全及支护效果的支护方法。
论文作者:李小明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/29
标签：工作面论文; 瓦斯论文; 注浆论文; 钻孔论文; 巷道论文; 作业论文; 竖井论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;