山西塔山煤礦近距離軟巖煤層巷道掘進技術方案

梁建義

(山西宏宇誠鑄建設工程有限公司)

為進一步提高巷道掘進效率，減少巷道開挖量，確保巷道施工安全，交叉巷道在施工時一般選擇近距離煤層過巷掘進工藝。由于軟巖煤層過巷掘進施工時常受到煤層地質(zhì)條件的影響，巷道過巷掘進時若不采取合理有效的施工工藝及支護措施，不僅不利于巷道快速掘進施工，而且在過巷段近距離軟巖煤層難以預留，加大了巷道過巷施工難度，甚至會發(fā)生重大煤礦頂板安全事故。本研究以塔山礦三盤區(qū)5307巷為研究對象，對巷道反掘構(gòu)筑通風系統(tǒng)時采用過巷掘進施工工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)風橋挑頂施工方法[1-4]，在過巷期間根據(jù)實際生產(chǎn)情況采取合理的施工工藝及支護措施，確保該巷道在近距離軟巖煤層中得以安全、快速施工。

1 工程概況

塔山礦三盤區(qū)回采煤層為2#、4#煤層，兩煤層間距為17 m(4#煤層位于2#煤層之上)，目前三盤區(qū)采掘工作面主要布置于4#煤層內(nèi)，2#煤層僅布置1條井田主運輸大巷。4#煤層屬石炭系軟巖煤層，平均厚度為6.5 m，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，煤層緊固系數(shù)f<1.0。4#煤層直接頂巖性主要為碳質(zhì)泥巖，平均厚度為5.5 m，基本頂巖性以粗砂巖為主，平均厚度為11.4 m。

5307巷位于三盤區(qū)4#煤層西翼，巷道設計長度為1 700 m，巷道斷面規(guī)格為4.0 m×3.5 m(寬×高)，施工巷道北部、南部為實煤區(qū)，東部布置2條盤區(qū)大巷(盤區(qū)輔運巷、盤區(qū)回風巷)，西部布置2條西翼大巷(西翼皮帶巷、西翼運輸大巷)，相鄰2條巷道之間的保護煤柱寬度為45 m(圖1)。盤區(qū)輔運巷以70°夾角開口施工5307運料斜巷，運料斜巷設計長度為80 m，斜巷施工到位后按設計施工1條運輸聯(lián)巷，構(gòu)筑5307巷掘進運輸系統(tǒng)，同時5307巷按反方向掘進與盤區(qū)回風巷貫通，形成通風系統(tǒng)，待運輸系統(tǒng)、通風系統(tǒng)完全形成后再掘進5307正巷。

圖1 5307巷平面布置示意

5307巷在反掘施工通風系統(tǒng)時，需與盤區(qū)輔運巷貫通，而后從盤區(qū)輔運巷開口繼續(xù)掘進施工輔回聯(lián)巷直至與盤區(qū)回風巷貫通，貫通前在盤區(qū)輔運巷指定位置構(gòu)造風橋。由于該施工方案巷道掘進量大，且與輔助運輸巷貫通以及構(gòu)筑風橋時影響輔運巷運輸、行人等，因而本研究采用5307巷近距離煤層過巷掘進施工工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巷道貫通及風橋施工方法，在過巷期間兩巷之間預留的煤層厚度為2.2 m，由于盤區(qū)輔運巷斷面為拱形，巷道斷面規(guī)格為5.0 m×4.5 m(寬×高)，因此兩巷之間預留的巖體主要為煤層。

2 近距離軟巖煤層過巷掘進施工流程

為保證5307巷道過巷掘進施工安全，采用分層留底過巷掘進施工工藝，即施工巷道上分層采用大斷面爆破掘進工藝，下分層采用人工起底方法[5-8]。施工流程為：①5307運料斜巷施工到位后，按設計進行反掘施工構(gòu)筑5307巷通風系統(tǒng)，當巷道反掘至A點(距輔運巷55 m)時，施工巷道按7°仰角上山掘進，采用全斷面光面爆破施工工藝，在上山掘進期間頂?shù)装迤露茸兓瘧３忠恢?，確保巷道高度保持不變；②當5307巷上山掘進至B點時，施工巷道與盤區(qū)輔運巷水平間距為5.0 m，兩巷層間距為2.0 m，且以煤層為主，此時停止上山掘進施工，采用分層留底平行掘進施工工藝；③5307巷在過巷段采用分層留底掘進施工工藝時，上分層掘進斷面規(guī)格為4.0 m×2.5 m(寬×高)，下分層留底厚度為1.0 m；④過巷期間上分層采用松動爆破掘進施工工藝，工作面布置3排松動爆破孔，炮孔深度為1.0 m，炮孔采用正向裝藥方式，每個炮孔填裝1支三級礦用乳化炸藥，裝藥量為300 g，裝藥后對炮孔進行水炮泥封孔處理，封孔長度不宜小于0.5 m，每次爆破孔數(shù)量為4個，每茬掘進量不宜超過0.8 m；⑤當5307巷上分層松動爆破掘進至C點(過輔運巷2.0 m)后停止施工，對下分層底煤進行起底，起底時嚴禁進行爆破施工，應采用風鎬、洋鎬進行人工起底，起底厚度為1.0 m，起底后確保巷道高度不宜小于3.5 m；⑥5307巷過巷掘進5.0 m后采用下山掘進施工工藝，掘進坡度為10°，當巷道下山掘進35 m后施工巷道與盤區(qū)回風巷位于同一標高時，采用平行掘進方法，且掘進10 m后與回風巷貫通，此時5307巷通風系統(tǒng)構(gòu)筑完畢。

3 聯(lián)合支護方案設計及應用

由于5307巷過巷掘進施工期間，需在施工巷道安裝膠帶輸送機及耙?guī)r機等重型機械設備，而過巷時兩巷層間距僅為2.2 m，為保證巷道施工安全，避免發(fā)生頂板垮落事故，本研究對5307巷過巷段施工復合底板，對盤區(qū)輔運巷相應頂板架設密集U29型工字鋼棚進行支護[9-12]。

3.1 人工復合底板施工

5307巷下分層人工起底后，繼續(xù)對施工巷道過巷段底板進行起底施工基礎坑，基礎坑規(guī)格為7.0 m×5.0 m×0.5 m(長×寬×深)，起底后須確保長度超過盤區(qū)輔運巷巷幫煤柱2.0 m，寬度超過5307巷兩幫煤柱1.0 m?；A坑施工完畢后，在基礎坑內(nèi)依次鋪設金屬網(wǎng)、2層密集工字鋼梁，第1層工字鋼梁與5307巷平行布置，鋼梁長度為7.0 m，相鄰2根鋼梁間距為0.2 m，共鋪設25根鋼梁。第2層工字鋼梁與第1層工字鋼梁垂直布置，第2層鋼梁長度為5.0 m，鋼梁間距為0.5 m，共鋪設14根，2層鋼梁采用連接螺母固定。為保證2層密集工字鋼梁鋪設牢固，在5307巷距巷幫0.5 m處頂板各施工1排起重錨索，每排施工3根，錨索間距為4.0 m，采用起重錨索對2層密集工字鋼梁進行懸吊(圖2)。密集工字鋼梁懸吊后，對基礎坑進行混凝土澆筑，混凝土配比為2∶2∶1(砂子:石子:水泥)，澆筑時須采用振動泵對澆筑區(qū)域震動嚴實，澆筑后的混凝土強度不宜低于C25。

圖2 5307巷過巷掘進支護斷面示意

3.2 密集U29型工字鋼棚架設

為進一步增強復合底板的穩(wěn)定性，在三盤區(qū)輔運巷過巷段架設密集U29型工字鋼棚。該型鋼棚主要由2節(jié)長度為2.0 m的棚腿，2節(jié)長度為2.83 m的圓弧頂梁和1節(jié)長度為2.18 m的圓弧頂梁組成(圖2)。在盤區(qū)輔運巷距5307巷幫2.0 m處開始架設U29型鋼棚，直至過5307巷2.0 m后停止架設，共架設18架U29型鋼棚，鋼棚間距為0.5 m。首先在盤區(qū)輔運巷底板安裝棚腿，為保證棚腿安裝平穩(wěn)牢固，在棚腿下端焊接1個規(guī)格為0.3 m×0.3 m×0.05 m(長×寬×厚)鋼托板，鋼托板與底板采用地錨進行固定。待2節(jié)棚腿安裝后，開始進行人工安裝頂梁，頂梁與棚腿之間以及頂梁與頂梁之間采用卡槽進行對接式安裝，對接長度不宜小于0.5 m，對接后在接頭處采用卡纜進行固定預緊，卡纜螺母的預緊力不宜小于200 N·m。為保證U29型鋼棚架設穩(wěn)定，在鋼架棚腿處施工1根長度為1.0 m固定錨桿，將其與巷幫進行錨固，在頂梁處施工1個長度為1.5 m的固定錨索，將其與頂板進行錨固。為確保相鄰2架鋼棚之間具有相互聯(lián)鎖保護作用，相鄰2架鋼棚采用3根連接套桿進行連接。為保證U29型鋼棚架設后能夠與頂板接觸嚴實，在鋼棚與頂板及巷幫間隙處填塞水泥背板，水泥背板長度為1.2 m，寬度為0.3 m。

4 應用效果

5307巷在施工期間，本研究通過采用過巷掘進施工工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巷道貫通、風橋挑頂施工方法，減少巷道開挖量達1 400 m3，且提前8 d形成了5307巷通風系統(tǒng)，縮短了巷道掘進周期。在過巷掘進施工時僅需安裝1部SSJ-800型帶式輸送機及P60-B型耙?guī)r機即可完成煤矸石運輸任務，減少了機電設備的安裝數(shù)量。

近距離軟巖煤層過巷掘進施工時采用分層留底法掘進，保證了巷道安全穩(wěn)定，避免了大斷面巷道爆破施工時受振動及煤矸石重量的影響，而引發(fā)過巷底板垮落事故。5307巷采用該方法僅用2.5 d便完成了過巷掘進任務，平均進度達3.5 m/d，大大提高了近距離煤層巷道的掘進效率。

5307巷在近距離煤層過巷期間，在上標高巷道底板施工人工復合底板，在下標高巷道架設U29型工字鋼棚進行聯(lián)合支護后，本研究對該區(qū)域薄煤層的變形情況進行了3個月監(jiān)測。結(jié)果表明：第1個月內(nèi)由于薄煤層處應力未完全重新分配，頂板下沉量變化較大，下沉量為0.2m；第2個月內(nèi)頂板下沉量變化較小，下沉量為0.05m；第3個月內(nèi)頂板變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，下沉量為0?？梢?，過巷段聯(lián)合支護方案的應用大大提高了薄煤層頂板穩(wěn)定性，保證了巷道施工安全，解決了近距離軟巖煤層頂板維護難度大、維護效果不理想等難題。

5 結(jié) 語

以山西塔山煤礦三盤區(qū)5307巷為例，通過采用近距離軟巖煤層過巷掘進施工工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巷道貫通、風橋挑頂施工方法，有效減少了巷道開挖量，縮短了巷道施工工期；通過在過巷段采用人工復合底板及架設U29型工字鋼棚進行薄煤層頂板穩(wěn)定性控制，有效提高了巷道頂板穩(wěn)定性，保證了巷道施工安全。

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