淺析半煤巖巷道支護(hù)施工工藝控制

姬 東

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715405)

0 引言

煤與半煤巖巷道一般都是沿煤層或在煤層附近巖層中掘進(jìn)，因此經(jīng)常受到瓦斯和煤塵的威脅[1-3]。為確保安全，要特別注意探水，防止靠近煤層淺部老窖采空區(qū)積水造成的危害[4-6]。有瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井，在揭煤層時(shí)，必須采取專(zhuān)門(mén)的技術(shù)措施。此外，煤與半煤巖巷道所穿過(guò)的煤層及圍巖一般強(qiáng)度比較小，掘進(jìn)較容易，多采用綜合掘進(jìn)機(jī)施工，但其圍巖穩(wěn)定性較差且大多數(shù)采區(qū)巷道都受采場(chǎng)動(dòng)壓影響[7-8]。因此在施工時(shí)不但要管理好頂板，還要根據(jù)巷道服務(wù)年限長(zhǎng)短、地壓大小及穩(wěn)定性的特點(diǎn)合理選擇支護(hù)方式。

下峪口煤礦23210工作面位于礦井二水平2-3采區(qū)北翼，南部與即將回采的23208工作面相鄰。工作面為傾斜條帶布置，其中進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 201.355 m，(已掘30 m)。四周除西南部的21203、21303以及23206工作面正在開(kāi)采以外，其它區(qū)域2#、3#煤均未開(kāi)采。

1 煤(巖)層賦存特征

工作面2#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)周邊2#煤厚0.1～2.0 m，平均煤厚1.0 m。煤層呈粒狀、沫狀，光亮度一般，主要為Ⅲ類(lèi)煤層，煤層原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，易捻搓成毫米級(jí)碎?；蛎悍?，硬度在0.2～0.36之間，煤層與上下巖層呈構(gòu)造不整合接觸。

2#煤與上部2#上煤間距一般為2.5～5.8 m，2#上煤沉積不穩(wěn)定(層厚0.1～0.4 m)，根據(jù)周邊地質(zhì)鉆孔資料計(jì)算，2#煤與下部3#煤間一般為22～25 m，3#煤厚1.3～4.5 m。經(jīng)煤質(zhì)測(cè)試及煤層樣化驗(yàn)資料，該工作面煤質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 工作面煤質(zhì)情況

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 臨時(shí)支護(hù)

采用吊環(huán)式前探梁配合液壓?jiǎn)误w進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)(泵站系統(tǒng)未形成前可采用戴帽木點(diǎn)柱)，施工中若前探梁與頂板不實(shí)時(shí)采用板皮、半圓木剎嚴(yán)實(shí)，間排距為1 150 mm×800 mm布置2排，每排3根。吊環(huán)式前探梁布置2根，距巷中各700 mm布置一根，每根前探梁配合2個(gè)吊環(huán)絞車(chē)硐室采用木點(diǎn)柱支護(hù)間排距為500 mm×800 mm布置2排，每排2根。單體要求在采用液壓?jiǎn)误w進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)時(shí)，其初撐力必須達(dá)到90 kN；底板較軟時(shí)，單體必須穿柱鞋。

2.2 永久支護(hù)

頂部錨桿：頂部錨桿采用φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×800 mm，每排7根，呈矩形布置，每排頂錨配一根梯子梁(采用14#圓鋼加工4 400 mm長(zhǎng)的7孔梯子梁)。

幫部錨桿：巖幫部采用φ18 mm×1 800 mm的圓鋼樹(shù)脂錨桿，煤幫部采用φ32 mm×2 500 mm的全長(zhǎng)自鞏固可回收錨桿，芭片護(hù)幫，間排距為800 mm×800 mm，每排8根，呈矩形布置，錨索采用φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線(xiàn)，每排2根，矩形布置，間排距為2 100 mm×2 400 mm。頂部選用冷拔絲網(wǎng)，幫部選用金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)相互搭接100 mm，每150 mm用14#鐵線(xiàn)雙股連接一次。

避難硐室：掘?qū)? 000 mm，掘高3 000 mm，掘深5 000 mm，頂部錨桿采用φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排7根，呈矩形布置，每排頂錨配一根梯子梁(采用14#圓鋼加工4 800 mm長(zhǎng)7孔梯子梁)；巖幫部采用φ18 mm×1 800 mm的圓鋼樹(shù)脂錨桿，煤幫部采用φ32 mm×2 500 mm的全長(zhǎng)自鞏固可回收錨桿，芭片護(hù)幫，間排距為800 mm×800 mm，每排8根，呈矩形布置，錨索采用φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線(xiàn)，每排3根，矩形布置，間排距為1 500 mm×2 400 mm。頂部選用冷拔絲網(wǎng)，幫部選用金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)相互搭接100 mm，每150 mm用14#鐵線(xiàn)雙股連接一次。硐室永久支護(hù)如圖1所示。

圖1 硐室永久支護(hù)示意圖

絞車(chē)硐室：掘?qū)? 000 mm，掘高2 000 mm、深2 000 mm，頂部采用φ17.8 mm×4 500 mm錨索，每排3根錨索，間排距為800 mm×800 mm，矩形布置，巖幫部采用φ18 mm×1 800 mm圓鋼樹(shù)脂錨桿，煤幫部采用φ32 mm×2 500 mm全長(zhǎng)自鞏固錨桿，芭片護(hù)幫，每排6根錨桿，間排距為800 mm×800 mm，矩形布置。全斷面采用金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)搭接100 mm，每200 mm用14#鐵線(xiàn)雙股連接一次。

2.3 復(fù)合頂板支護(hù)

支護(hù)材料：依據(jù)施工巷道頂板巖性、側(cè)壓、頂壓，選擇支護(hù)過(guò)程中應(yīng)用的材料和規(guī)格，在實(shí)際選擇過(guò)程中，要對(duì)錨桿的長(zhǎng)度、種類(lèi)、錨桿密度等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行明確，并且在分布錨桿時(shí)，靠幫錨桿距幫要被控制在0.5 m以?xún)?nèi)，避免在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，頂板被切斷，對(duì)施工造成不良影響。

支護(hù)初支撐力：適當(dāng)提高支護(hù)在應(yīng)用過(guò)程中的初支撐力。通過(guò)提升初支撐能力的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合頂與老頂穩(wěn)定頂板間的離層、位移，提高其穩(wěn)定性，避免發(fā)生斷裂。提高初支撐力的措施有以下幾種：①利用高預(yù)應(yīng)力錨桿，通過(guò)錨桿機(jī)完成相應(yīng)的注射；②依據(jù)巷道頂壓情況，完成相應(yīng)的布置支護(hù)錨桿，確保錨桿的實(shí)際密度能夠滿(mǎn)足作業(yè)要求，在該過(guò)程中，采用的錨桿預(yù)應(yīng)力大小要超過(guò)預(yù)頂壓；③加強(qiáng)對(duì)巷道兩幫的支護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于頂板壓力的增大，或增加支護(hù)作業(yè)的難度，因此，提高對(duì)巷道兩幫的支護(hù)，可以采用掛網(wǎng)或錨桿帶木帽形式，通過(guò)該方式可以有效預(yù)防片幫，通過(guò)對(duì)光爆工藝的應(yīng)用，最大程度減少兩幫圍巖在生產(chǎn)過(guò)程中遭受到的破壞，確保生產(chǎn)作業(yè)的順利進(jìn)行。

巷道斷面設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)斷面時(shí)，以層面在確保運(yùn)輸、通風(fēng)都滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上，盡量減小寬度。巷道施工后，要立即進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，最大程度限制空頂時(shí)間，以免對(duì)施工造成不良影響。做好相應(yīng)的管理工作，提高支護(hù)質(zhì)量，同時(shí)，還要對(duì)頂板的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，要及時(shí)采取相應(yīng)的措施對(duì)問(wèn)題加以處理。通過(guò)注漿加固方式使圍巖的具體強(qiáng)度能夠得到進(jìn)一步提高，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，極軟煤層巷道掘進(jìn)后，淺部圍巖會(huì)受到支撐壓力的影響，從而會(huì)形成塑性區(qū)和破碎區(qū)，進(jìn)而會(huì)以極小的強(qiáng)度參與到穩(wěn)定圍巖過(guò)程。在具體作業(yè)過(guò)程中，采取注入高水泥速凝材料的方式，對(duì)破碎圍巖裂隙進(jìn)行填充，同時(shí)，受注漿材料自身存在粘結(jié)作用的影響，可以使固結(jié)體的剛度和強(qiáng)度都得到明顯提升。此時(shí)，圍巖遭受到的破壞則會(huì)由原強(qiáng)度較低弱面、裂隙控制轉(zhuǎn)變到高強(qiáng)度固結(jié)體控制。針對(duì)巷道兩幫的破碎區(qū)、塑性區(qū)的煤層，在實(shí)際處理過(guò)程中，可以利用高水速材料完成相應(yīng)的處理工作，通過(guò)該方式可以使巷道兩幫的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。通過(guò)注漿的方式對(duì)兩幫煤體進(jìn)行處理，一方面使煤體的強(qiáng)度得到了進(jìn)一步提高，另一方面也使煤體與樹(shù)脂錨固劑兩者間的粘結(jié)力得到了顯著提升，從而確保錨桿錨固力可以滿(mǎn)足生產(chǎn)的實(shí)際需求，避免發(fā)生安全事故。

3 巷道頂板支護(hù)計(jì)算

3.1 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

在巷道頂板支護(hù)計(jì)算中，主要應(yīng)進(jìn)行錨桿支護(hù)計(jì)算，其中，錨桿長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)式(1)。

L=K·H+L1+L2

(1)

式中：L—錨桿長(zhǎng)度，m；H—冒落拱高度，根據(jù)H=B/(2F)估算得，m；B—巷道開(kāi)挖寬度，分別取4.6 m、5.0 m、2.0 m；F—巖石(煤)堅(jiān)固系數(shù)，砂巖取4；K—安全系數(shù)，一般取K=2；L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.3 m；L2—錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，30～50 mm，一般取0.04 m，則L分別計(jì)算得1.49 m、1.59 m、0.84 m。

3.2 錨桿間排距設(shè)計(jì)計(jì)算

錨桿間設(shè)計(jì)排距計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：D—錨桿間排距，m；Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，105 kN；H—冒落高度，取0.4 m；R—被懸吊砂巖的重力密度，取24.5 kN/m3；K—安全系數(shù)，一般取K=2。計(jì)算得D為2.314 m。

通過(guò)以上計(jì)算在施工中選用：φ20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿間排距700 mm×800 mm、800 mm×800 mm的均滿(mǎn)足支護(hù)要求。

3.3 錨索支護(hù)效果及錨固長(zhǎng)度

在進(jìn)行錨索支護(hù)驗(yàn)算錨索直徑按17.8 mm計(jì)算，頂錨索通過(guò)懸吊作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件應(yīng)滿(mǎn)足式(3)。

L≥La+Lb+Lc+Ld

(3)

式中：L—錨索長(zhǎng)度，m；La—錨索錨入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，1.575 m；Lb—需要懸掛的不穩(wěn)定巖層厚度，取2 m；Lc—上托板及鎖具的厚度，取0.1 m；Ld—錨索外露長(zhǎng)度，取0.25 m。錨索錨固長(zhǎng)度La按式(4)確定。

La≥0.25K·d1·fa/fc

(4)

式中：K—安全系數(shù)，一般取2；d1—錨索鋼絞線(xiàn)的直徑，17.8 mm；fa—鋼絞線(xiàn)抗拉強(qiáng)度，取1 770 N /mm2；fc—錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取10 N/mm2。計(jì)算得La最小值應(yīng)為3.97 m。所以施工時(shí)使用的φ17.8 mm×6 000 mm錨索可以達(dá)到要求。

4 支護(hù)施工工藝分析

4.1 臨時(shí)支護(hù)的支設(shè)方法

放炮后，待炮煙吹凈后人員方可進(jìn)入工作面，先由外向里再先頂后幫進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，進(jìn)行安全檢查，在永久支護(hù)下聯(lián)網(wǎng)安裝吊環(huán)，并用前探梁托住頂網(wǎng)向前推移頂實(shí)迎頭。由外向里在前探梁上采用半圓木和板皮接實(shí)頂板(預(yù)留打錨桿孔位置)，人員站在安全地點(diǎn)用長(zhǎng)柄鎬、鍬清貨，出貨高度達(dá)到2.5 m且點(diǎn)柱位置貨平攤后，及時(shí)支設(shè)戴帽點(diǎn)柱支護(hù)頂實(shí)頂板，點(diǎn)柱必須穿好柱鞋，直到點(diǎn)柱全部支設(shè)到位，且安全可靠，再在臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行永久支護(hù)。

4.2 錨桿施工方法

頂錨支護(hù)：打眼前應(yīng)當(dāng)先對(duì)頂進(jìn)行處理，再對(duì)后幫進(jìn)行處理，確保打眼作業(yè)的順利進(jìn)行。打錨桿孔時(shí)，先按眼距永久支護(hù)要求在頂板上標(biāo)出孔位再打眼，眼位誤差不得超過(guò)50 mm，眼距誤差不得大于50 mm，并做好標(biāo)記。清理好作業(yè)過(guò)程中的各種殘?jiān)^桿安裝應(yīng)按照先頂板后兩幫，頂部先中間后兩邊的原則。

幫部錨桿施工及注意事項(xiàng)：巖幫錨桿采用YT-28型風(fēng)鉆配合φ22 mm六棱中空長(zhǎng)、短釬桿，φ32 mm釬頭按錨桿布置進(jìn)行打眼(錨桿眼深1 720～1 760 mm)，將MSCK2865樹(shù)脂錨固劑輕輕送入錨桿孔內(nèi)(一根錨桿一根錨固劑)，將錨桿和ZQS-50/300手持式氣動(dòng)鉆機(jī)連接，開(kāi)啟鉆機(jī)攪拌樹(shù)脂錨固劑，攪拌時(shí)注意邊推邊攪拌(攪拌時(shí)間10～15 s)，將錨桿推至孔底后，再攪拌5 s左右，然后停止攪拌，等待40 s左右即可上錨桿墊板、緊固螺母。安裝錨桿時(shí)應(yīng)打一個(gè)錨桿眼，及時(shí)安裝一根錨桿。煤幫部錨桿采用ZQS-50/300手持式氣動(dòng)鉆機(jī)，配合φ26 mm麻花釬桿φ28 mm的小徑釬頭打眼安裝，眼深比錨桿長(zhǎng)度少10～50 mm。施工錨桿眼時(shí)，在釬桿上對(duì)眼深作出標(biāo)記。打錨桿眼時(shí)用力要適中，以防斷釬傷人。幫部上面2根錨桿嚴(yán)禁滯后，下面2根錨桿距工作面不得超過(guò)2.4 m。

4.3 錨索施工方法

在作業(yè)期間，要利用顏色鮮艷的油漆對(duì)終口位置進(jìn)行標(biāo)記，確保最終眼深準(zhǔn)確無(wú)誤。安裝樹(shù)脂錨固劑，先放入2個(gè)MSCK2370錨固劑，插入錨索(錨索頂端必須做頭刺)將樹(shù)脂錨固劑徐徐推至眼底。啟動(dòng)錨桿鉆機(jī)攪拌錨固劑，錨固劑攪拌時(shí)間10～15 s，當(dāng)錨索到達(dá)眼底，再攪拌5 s左右，然后停止攪拌，等40 s后穿上托板、鎖具。過(guò)15 min后采用MSY-160型張拉千斤頂進(jìn)行初次預(yù)緊，30 min后二次張拉預(yù)緊到25 MPa以上。鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，要緩慢加速，如果遇到硬度較大的巖石，不得強(qiáng)開(kāi)，以防斷釬。夠打錨索距離時(shí)，必須及時(shí)補(bǔ)打，錨索滯后迎頭不得超過(guò)2.4 m，打好的錨索必須及時(shí)張緊，不得松動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)23210工作面工程的具體情況進(jìn)行探討，針對(duì)煤(巖)層賦存特征、支護(hù)設(shè)計(jì)、巷道頂板支護(hù)計(jì)算、支護(hù)施工工藝分析結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行深入探討，確保了工程最終施工工藝的合理性。