預(yù)留窄煤柱掘進施工探討

范雨濤

（西山煤電集團公司總調(diào)度室，山西 太原 030203）

多年來，隨著井巷的不斷延伸及受先天惡劣地質(zhì)條件的限制，鎮(zhèn)城底礦逐漸暴露出資源不足的現(xiàn)狀。尤其是近幾年綜合機械化程度的大幅提高帶動了礦井產(chǎn)量的階梯式增長，進一步加劇了資源的緊張。針對于此，鎮(zhèn)城底礦在請教有關(guān)專家和借鑒國內(nèi)、外相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際，大膽設(shè)想，提出了在確保安全的前提下，縮小相鄰工作面煤柱的初步構(gòu)想，得到了上級有關(guān)單位的大力支持。并于2008年7月在南一采區(qū)22115工作面首次進行了該方案的嘗試，采取與相鄰工作面（22117工作面）預(yù)留5m煤柱施工巷道（22115工作面正巷）取得了較好的效果，積累了豐富的經(jīng)驗，得到了國家有關(guān)部門的肯定。為了更好的總結(jié)經(jīng)驗，下面以22115工作面正巷為例，對該種方案的支護設(shè)計進行簡要闡述。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

22115 工作面井下位于南一采區(qū)，北為12210工作面（已采），南鄰22102-1工作面（已采），北東為22117現(xiàn)采，北西為22113采空區(qū)。其所采煤層為2#、3#煤層，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)為1.91（0.27），1.01，煤層厚度為3.19m左右，煤層整體呈一向斜構(gòu)造，軸向為北85°東。

表1 圍巖特征

1.2 工程概況

22115 正巷全長580m，沿2#、3#煤頂板掘進,采用機掘。

2 支護方式

2.1 預(yù)先支護

因22115正巷施工過程中22117正在正常回采。22117的回采動壓將影響22115正巷的地壓支護等，為減小施工過程中所留煤柱的破壞程度，確保22115正巷施工順利進行，在22115正巷開始施工起在22117副巷側(cè)須預(yù)先對5m煤柱進行加固。加固內(nèi)容有兩項：

（1）開工起從22 117副巷超前維護處開始，在煤柱幫由里向外貼幫支設(shè)帶帽點柱，點柱間距2.0m，柱帽順巷道方向設(shè)置。

（2）從22 117副巷超前支護點起由里向外垂直煤柱預(yù)打加固錨索，其布置方式為等腰三角形，最上一根錨索距頂0.9m，第二根錨索距頂1.6m，一條線上的兩根錨索排距為3.6m。操作時打好眼后（眼深5.3m）將錨索穿到眼孔內(nèi)，在22117副巷300mm，用木楔將錨索從眼孔內(nèi)打緊（木楔不能外露）然后上好托盤，用大錘和專用套管將鎖具打緊（22 115正巷掘進施工割煤時，防止截割頭把預(yù)打錨索割壞，割煤時，人工配合截割頭刷出右?guī)停瑝蛞粋€循環(huán)時，將網(wǎng)掛起，用錨索機將預(yù)留錨索鎖到30MPa，然后方可進行其他作業(yè)。）

2.2 頂板支護

頂板完整穩(wěn)定時采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索”進行支護，錨桿間排距為0.9m×0.9m，呈“五·五”排矩形布置，中間三根錨桿垂直頂板打注，其余兩根錨桿與頂板成80°打注。錨索呈“五花”布置，排距1.8m，頂板布置三根頂錨索時，間距1.2m，頂板布置兩根錨索時，間距1.5m，沿中心線順序向前對稱布置。在巷道右?guī)唾N幫打一排點柱，柱帽順巷道布置，排距2m；循環(huán)進尺0.9m。

頂板裂隙發(fā)育較破碎時根據(jù)現(xiàn)場實際情況縮小錨桿排距到0.6～0.8m之間，錨索縮小到1.2～1.6m之間。

頂板特別破碎壓力大時，在原支護的基礎(chǔ)上加套金屬棚子，確需加套金屬棚子時，另外編寫專項措施。

2.3 兩幫支護

兩幫采用“錨桿+鐵絲網(wǎng)+梯子梁+錨索”進行永久支護。

左幫：錨桿按每排每幫3根布置，間、排距為0.9m×0.9m，最上一根錨桿距頂板0.3m；錨索采用5m長錨索，距頂板0.9m，排距3.6m。

右?guī)停褐哄^桿按每排每幫3根布置，間、排距為0.9m×0.9m，最上一根錨桿距頂板0.3m；與22 117副巷（保護煤柱5m）之間按等腰三角形布置錨索，錨索長為5.6m，兩邊外露300mm。打好眼后，在22 117副巷用大錘和專用套管將鎖具打緊，然后在22 115正巷用錨索機將錨索鎖緊達到30MPa。當(dāng)巷道掘至穿越預(yù)打錨索段時，右?guī)湾^索由5.6m改為4.5m，邊掘邊打布置方式參數(shù)不變，錨固端使用3卷樹脂藥卷，其中一卷為MSCK2 355，兩卷MSZ2 355，MSCK2 355藥卷放置眼底，MSZ2 355放在MSCK2 355外端連續(xù)放置。所有錨索預(yù)緊力為30MPa。

壓力大、片幫較嚴(yán)重時兩幫鐵絲網(wǎng)改為用鋼筋網(wǎng)，同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整錨索參數(shù)。

3 施工方法

采用EBZ-160型掘進機配合SDJ-150膠帶輸送機出煤連續(xù)作業(yè)，沿2#、3#煤頂板掘進。工作面割煤、運煤、運料平行作業(yè)，割煤、臨時支護、永久支護、延長膠帶輸送機依次進行。

3.1 施工工藝流程

交接班→安全質(zhì)量檢查→巷道定向→割煤→臨時支護→永久支護→延長膠帶輸送機。

3.2 臨時支護

頂板破碎裂隙發(fā)育時使用肘式前探支護結(jié)構(gòu)做為臨時支護。割完煤后，進行敲幫問頂?shù)劝踩珯z查，確無問題后，方可進行臨時支護作業(yè)。臨時支護的具體操作如下：

割煤前，將肘式前探固定器固定于工作面前三排中間兩根頂錨桿上。然后，將兩根4m前探梁分別套入同一軸線的三個吊環(huán)內(nèi)，且尾部超出肘式前探固定器0.1m的安全距離。割完煤，進行詳細(xì)的敲幫問頂后，先掛網(wǎng)，掛網(wǎng)應(yīng)兩人配合，一人扶網(wǎng)，一人聯(lián)網(wǎng)。掛網(wǎng)時，網(wǎng)間應(yīng)對接，隔一孔連一扣，扭三匝，聯(lián)網(wǎng)結(jié)束后，將前探梁推移至工作面迎頭。由兩人踩上梯子將板梁托起，按間距1.0m放在前探梁上，用木楔打緊背牢，使臨時支護接頂有效。每次推移前探梁時，每根前探梁上必須有3個肘式前探固定器，吊掛肘式前探固定器的錨桿必須擰滿扣。

3.3 永久支護

3.3.1 頂錨桿的安裝

打錨桿眼前，先按設(shè)計要求進行定位、標(biāo)記，同時在鉆桿上也要做一標(biāo)記，以保證打眼深度。采用MQT-120型錨桿鉆機，長1.0m、1.5m、2.5m的六角中空鉆桿交替使用，φ27mmY型鉆頭打頂錨桿眼。錨桿鉆機由兩人操作，一人按眼，一人開機，先開水閥，開鉆時，輕按鉆機馬達手把，待眼位固定并鉆進一定深度時，掌釬工把手松開，退到機身后側(cè)監(jiān)護。鉆機必須保持平穩(wěn)，嚴(yán)禁前后左右搖擺，打眼時，不得來回拉動鉆桿，以免拉動擴大孔徑，眼深2.15m。錨桿眼打好后，取下鉆桿，將MSCK2 355、MSCZ2 355型各一卷藥卷依次放入錨桿眼內(nèi)（MSCK2 355型在眼底），然后用預(yù)先上好連接頭的錨桿體將錨固劑送到眼底。外露0.3m時開始攪拌，邊攪拌邊推進，攪拌時間為15~20min，保持推力1min，然后取下攪拌機具，3min后將錨桿尾部螺母擰緊，使預(yù)緊螺母扭矩達到100N·m，達不到時重新補打，錨桿錨固力不小于90 kN。

3.3.2 幫錨桿的安裝

采用ZQST65/1.7/23S型鉆機配合φ19mm飛龍鉆桿和φ27mm煤鉆頭在巷道的兩幫按設(shè)計尺寸各打3個錨桿眼，眼深1.75m。先掛網(wǎng)，兩幫的鐵絲網(wǎng)必須與頂上的鋼筋網(wǎng)相搭接，采用8#聯(lián)網(wǎng)絲雙股每200mm連一扣，每扣扭3匝，聯(lián)網(wǎng)結(jié)束后，開始安裝錨桿。安裝時，必須將煤壁整修平整，鐵絲網(wǎng)鋪平緊貼煤壁布置。使用連接頭配合錨桿進行安裝，每眼內(nèi)放MSCK2355型藥卷一卷，預(yù)緊螺母扭矩為100N·M，錨固力不小于50 kN。

3.3.3 錨索的安裝

利用MQT-120型鉆機配合ф19mm可接六方中空鉆桿和ф27mmY型鉆頭鉆孔，孔深6.3m。

安裝頂錨索時，將MSCK2 355、MSZ2 355型藥卷（幫錨索使用3卷樹脂藥卷，一卷為MSCK2 355，另外兩卷為MSZ2 355）依次放入孔內(nèi)，操作時MSCK2 355放置眼底，用錨索將藥卷推至孔底，上好錨索安裝器，將錨索與鉆機連接。

開始時，鉆機低速運轉(zhuǎn)，均勻用力將錨索往里推當(dāng)錨索外露1.0m時，快速鉆動鉆機，最終錨索外露0.2~0.3m，保持鉆機平穩(wěn)攪拌30min后停止，再保持鉆機推力1min后，方可撤鉆機。

安裝錨索1 h后，開始上大托盤、小托盤和鎖具，用鎖錨機進行漲拉承載，保證漲拉壓力達到表顯30MPa，錨固力不小于200kN。漲拉過程中，人員嚴(yán)禁站在漲拉千斤頂下方45°錐體范圍內(nèi)。

4 注意事項

（1）使用鉆機前，必須詳細(xì)檢查風(fēng)壓、水壓是否正常，檢查風(fēng)水管接頭是否牢固，上好潤滑油。

（2）安裝錨桿前，必須用高壓風(fēng)（水）吹（洗）眼孔，高壓風(fēng)（水）開啟時，管口前方嚴(yán)禁站人，更不得將管口對準(zhǔn)人員。

（3）錨桿眼的方向、位置、深度和錨固劑的質(zhì)量、數(shù)量必須符合要求，錨桿桿尾螺紋露出螺母的長度不得小于20mm，不得大于40mm，錨桿的托盤要與巖面全部嚴(yán)密緊貼，不得點接觸或線接觸，否則影響錨桿的支護質(zhì)量。

（4）施工完畢，要使用力矩扳手進行檢查，頂錨桿初錨力不得小于100N·m,達不到時重新補打，頂錨桿的錨固力不小于90 kN，幫錨桿的錨固力不小于50 kN。

（5）巷道要及時進行支護，盡量縮短空頂時間，避免頂板較大離層，使支護更加困難。

（6）嚴(yán)禁人員空頂作業(yè)。作業(yè)過程要嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問頂”制度。

（7）進入預(yù)打錨索段割煤時,截割頭應(yīng)慢速移動謹(jǐn)慎操作，采用機掘配合人工刷幫，防止割壞預(yù)注錨索。

（8）割煤時煤柱幫嚴(yán)禁超挖，并保護好預(yù)注好的錨索。

5 材料要求

表2 材料要求

6 驗算支護參數(shù)

6.1 錨桿長度L

L≥(1.1+W/10)

=1.2［1.1+(4.0-4.3)/10］

=1.8-1.85(m)

式中：W：巷道毛寬，m；

L：錨桿長度，m；

n：圍巖穩(wěn)定性系數(shù)，設(shè)計取1.1考慮到現(xiàn)有錨桿規(guī)格，取L=2.2m。

6.2 錨桿網(wǎng)度D

D≤0.5 L

≤0.5(1.8-1.85)

≤0.9-0.98（m）

考慮到圍巖松散破碎，加之先取L=2.2>(1.8-1.85)m，設(shè)計選取D=1m。

錨桿網(wǎng)度校核（下式中N為錨桿密度）：

N=1/D2

=1/1

=1（根 /m2）

4 200 mm×900mm的斷面,現(xiàn)場布置5根錨桿,即1.4根/m2，安全系數(shù)已能滿足要求。

7 經(jīng)濟效益

7.1 直接效益分析

7.1.1 節(jié)約煤炭資源

G=L×H×D×C

=580m×3m×25m×1.37m3/t

=59 595 t

式中：G：煤炭質(zhì)量，t；

L：煤柱長度，m；

H：煤柱高度，m；

D：煤柱寬度，m；

C：煤炭容重，m3/t

7.1.2 消耗材料

主要消耗為預(yù)先支護產(chǎn)生的成本：①打點柱：每米消耗坑木3m×（0.1m×0.1m×3.14）/2+（800mm×200mm×200mm）/2=0.0 631m3，0.0 631×828m3/元×580m=30 303.15 元；②打錨索：每米消耗錨索0.6套，0.6×158.26套/元×580m=55 074.5元；③人工消耗：0.3人/m×30元×580 m=5 220元；④總消耗：30 303.15+55 074.5+5 220=90 597.65元。

7.1.3 節(jié)約

7.2 潛在效益分析

（1）有力地減輕了采掘銜接緊張的壓力。

（2）采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式，使頂板與錨桿形成一個整體，有效地控制了巷道頂板的早期離層，大大減少了巷道的維修，降低了二次維護費用。使回采工作面端頭支護及超前支護工藝簡化，與金屬支架支護巷道相比，取消了超前替棚工序，減少了事故隱患和端頭維護工作量，從而加快了回采工作面的推進速度。

（3）采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式，減少了材料運輸量，提高了運輸安全程度，并且進一步加快了巷道掘進速度。

（4）采用加錨索全錨支護，支護材料重量輕，減輕了工人的勞動強度；并且有效斷面利用率大，減少開挖實體煤量，從而提高了掘進速度。

（5）采取預(yù)打幫錨索，能超前加固煤柱，減小煤幫側(cè)壓，更好的維護煤幫，防止垮幫。

表3

8 問題與建議

（1）要加強施工巷道的頂板離層監(jiān)測。巷道每掘進50m在巷道中心線上安設(shè)一個EL-3或LBY-3型頂板離層指示儀并掛牌管理，牌板上要注明編號、里程、安裝日期、地點，初始讀數(shù)，負(fù)責(zé)人等內(nèi)容。觀測頻率：距工作面最近的一個測站每天觀察一次，其他測站每周一次。

（2）為了確保錨桿、錨索支護有效，每隔50m由掘進隊組配合測繪中心地質(zhì)組對巷道頂?shù)装鍘r性進行打眼探測，及時修正綜合柱狀圖，頂?shù)装鍘r層分布參數(shù)發(fā)生變化時，及時調(diào)整錨桿、錨索支護參數(shù)，確保支護有效。

（3）掘進施工中，遇斷層、破碎帶、陷落柱時，要及時縮小錨桿，錨索的間、排距并立即匯報區(qū)礦調(diào)度，盡快探測構(gòu)造的走向、范圍，盡快制定專門措施。

（4）為了進一步降低工時消耗，減輕作業(yè)強度，提高生產(chǎn)效率。應(yīng)結(jié)合實際，積極探索新型臨時支護。

（5）盡管使用鋼筋網(wǎng)能有效地防止“網(wǎng)肚”，減少了巷道下沉量，但在現(xiàn)場施工中，要盡量使頂板平整，要加強對聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)督檢查，確保鋼筋網(wǎng)發(fā)揮效力。

（6）打煤柱幫錨索時，根據(jù)現(xiàn)場壓力變化及煤幫松軟情況，可在兩根錨索間加梯子梁（φ14×2 200mm），以加強煤幫的維護。

（7）施工前，要制定詳細(xì)的防瓦斯、防火、防水措施。