單一中厚煤層沿空留巷巷修工藝及支護(hù)方案研究

郭貢獻(xiàn)

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦目前已開采22年，采掘接續(xù)問題逐漸顯現(xiàn)。目前，沿空留巷技術(shù)成為解決礦井采掘接續(xù)矛盾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在沿空留巷過程中，由于受深部厚層軟弱復(fù)合頂板影響，一些采用沿空留巷技術(shù)的巷道沒有取得預(yù)期的效果，留巷變形嚴(yán)重，無法滿足回采要求，需要進(jìn)行巷道維修施工后方可投入使用。2802下順槽（巷修）通過一系列的工藝創(chuàng)新，采用綜掘施工工藝，實(shí)現(xiàn)了單一中厚煤層切頂沿空留巷巷道的快速維修，緩解了礦井采掘接續(xù)矛盾。

1 工程概況

2802下順槽位于陳四樓煤礦八采區(qū)，設(shè)計(jì)長度為1405mm。沿二2煤層掘進(jìn)，煤層傾角1～17°，平均5°，整體坡度較緩。巷道為梯形斷面，巷道規(guī)格：凈寬×凈高=4400×2600mm。巷道中心凈高不低于2.6m，底板施工成水平。2802下順槽沿二2煤層掘進(jìn)，煤層最大厚度3.07m，最小厚度1.97m，平均厚度2.75m。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2802下順槽巷道采用錨網(wǎng)帶支護(hù)，三排錨索梁配合恒阻錨索加固，經(jīng)切頂爆破沿空留巷后，巷道寬度為2.5～3.2m，高度為1.4～2.5m。巷道左幫為留巷側(cè)，幫部采用張拉鋼絲繩張拉支護(hù)，同時巷道采用單體液壓支柱配3.8m長π型梁加固，一梁四柱形式，其中左幫兩個單體柱并列支護(hù)，其余單體柱間排距為800×800mm。

目前，2802下順槽斷面已無法滿足下一個工作面設(shè)備安裝及回采要求，需進(jìn)行巷道維修，維修長度1150m。

圖1 2802下順槽翻修平面布置示意圖

圖2 2802下順槽巷道維修前巷道斷面支護(hù)示意圖

2 巷修工藝

（1）2802下順槽自車場口開始向里進(jìn)行擴(kuò)幫，擴(kuò)幫長度1150m，擴(kuò)幫寬度1.8m，擴(kuò)幫后擴(kuò)幫側(cè)巷幫與原巷道中心線距離為2950mm，要求擴(kuò)幫后巷道寬度不低于4.2m，不超過4.6m，高度不低于2.7m。擴(kuò)幫前期采用人工手鎬擴(kuò)幫，人工將煤、矸攉至刮板輸送機(jī)上運(yùn)出。

（2）自車場口向里擴(kuò)幫30m后，在巷道內(nèi)安裝一部DSJ80/40/2×75膠帶輸送機(jī)，同時在巷道內(nèi)安裝一部掘進(jìn)機(jī)及一部橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，采用掘進(jìn)機(jī)截割并自行裝煤至膠帶輸送機(jī)上將煤運(yùn)出。

（3）擴(kuò)幫前，應(yīng)先拆除原擴(kuò)幫側(cè)的高強(qiáng)錨桿、金屬網(wǎng)和錨索，拆除時必須自上而下進(jìn)行。超前擴(kuò)幫段在原巷道頂板向測量中心線左側(cè)偏移710mm（1760mm）布置一排錨索梁加固，錨索梁順巷道方向布置，每3根π型梁使用一根錨索梁索好，錨索梁超前加固好后，保持巷道最左側(cè)單體液壓支柱不動，拆除其余三根單體液壓支柱，然后一次擴(kuò)幫、拉底到位，巷道最左側(cè)單體液壓支柱處底板回柱后采用人工拉底。

（4）擴(kuò)幫段錨網(wǎng)支護(hù)后，在巷修段巷道頂板平行鋼帶方向布置錨索梁加固。加固前將超前支護(hù)的π型梁梁端使用Φ6mm鋼絲繩固定在巷道頂板上，退掉錨索錨具。在加固錨索同一斷面平行于鋼帶方向布置4m錨索梁加固，錨索梁以退錨具的錨索為基準(zhǔn)布置，即該錨索穿入錨索梁從左至右第三（二）個眼內(nèi)。

（5）待巷道錨索梁加固結(jié)束后，拆除巷道最左側(cè)單體液壓支柱，回掉頂板原抬棚π型梁。

（6）擴(kuò)幫后，使用液壓剪將原支護(hù)幫錨桿、幫錨索剪斷，剪斷后錨桿、錨索外露不超過100mm。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 臨時支護(hù)

使用輕型單體液壓支柱配合π型梁式臨時支護(hù)形式。

（1）擴(kuò)幫期間采用兩組臨時支護(hù)裝置進(jìn)行臨時支護(hù)，每組臨時支護(hù)裝置為兩根輕型單體液壓支柱配一根π型梁，具體臨時支護(hù)參數(shù)見圖3。

（2）臨時支護(hù)裝置所需供水水壓計(jì)算：

① 臨時支護(hù)裝置需要支撐的巖石重力為：

Rmax=γLBH=20×1.8×1.8×0.23=14.9kN

式中：

Rmax-輕型單體液壓支柱需要支撐的巖石重力，kN；

γ-支撐巖石的體積力，取20kN/m3；

L-臨時支護(hù)長度，取1.8m；

B-巷道擴(kuò)幫寬度，取1.8m；

H-冒落拱高度，m；

H=B/2f=1.8/（2×4）=0.23m；

其中：

B-巷道掘進(jìn)寬度，1.8m；

f-巖石堅(jiān)固性系數(shù)，砂質(zhì)泥巖取4.0。

② 輕型單體液壓支柱需要的供水水壓為：

P=Rmax/[nπ（d/2）2]

=14.9×103/[4×3.14×（0.1/2）2]=0.48MPa

式中：

P-輕型單體液壓支柱需要的供水水壓，MPa；

n-π型梁上打設(shè)的輕型單體液壓支柱根數(shù)，4根；

d-輕型單體液壓支柱柱體的直徑，取0.1m。

③ 巷修工作面供水水壓P供＞P，因此，巷修工作面輕型單體液壓支柱的供水水壓能滿足臨時支護(hù)使用要求。

圖3 2802下順槽擴(kuò)幫前探梁臨時支護(hù)三視圖

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）按懸吊理論計(jì)算頂錨桿參數(shù)

① 錨桿長度計(jì)算

L=KH+L1+L2

式中：

L-錨桿長度，m；

H-冒落拱高度，m；

H=B/2f=4.6/(2×4.0)=0.58m；

式中：

B-巷道寬度，取4.6m；

f-巖石堅(jiān)固性系數(shù)，砂質(zhì)泥巖取4.0；

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L1=0.4m；

L2-錨桿在巷道中的外露長度，一般取L2=0.05m。

經(jīng)計(jì)算L=1.61m。

施工時選擇頂錨長度2.2m滿足施工需要。

② 錨桿間排距計(jì)算

α=[Q/(KHγ)]1/2

式中：

α-錨桿間排距，m；

Q-按高強(qiáng)頂錨桿錨固力Q=120kN計(jì)算；

H-0.58m；

K-安全系數(shù)，一般取K=2；

γ-被懸吊巖石的體積力，γ=20kN/m3。

則α=[Q/(KHγ)]1/2=2.27m。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，取α=800mm、α=850mm、α=700mm，可以滿足要求。

3.3 永久支護(hù)

（1）頂板支護(hù)：Φ22×2200mm高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+M鋼帶

① 錨桿為Q500MPa高強(qiáng)錨桿，直徑22mm，長度2200mm；M型托盤規(guī)格：150×90×10mm；金屬網(wǎng)：1000×2200mm，網(wǎng)格 70×70mm， 用Φ6mm鋼筋加工。

② M鋼帶根據(jù)擴(kuò)幫寬度選擇長度為1.0m（眼距800mm）或1.0m以上規(guī)格的鋼帶搭接使用，鋼帶與原巷道頂板鋼帶方向一致平行布置，當(dāng)擴(kuò)幫寬度小于500mm時，鋼帶可平行于巷道方向布置。

③ 每根 Φ22×2200mm高強(qiáng)錨桿使用MSCK2350樹脂錨固劑和MSM2350樹脂錨固劑各1根。

④ 錨桿排距800mm，允許偏差±100mm。

⑤ 頂錨桿預(yù)緊力矩不小于250N·m，不大于300N·m。

（2）巷幫支護(hù)：Φ22×2200mm高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+M鋼帶

① 幫錨桿為Q500MPa高強(qiáng)錨桿，直徑22mm，長度2200mm；金屬網(wǎng)：1000×2200mm，網(wǎng)格70×70mm，網(wǎng)，用6#鋼筋加工；M托盤規(guī)格為150×150×8mm。

② 擴(kuò)幫側(cè)巷幫使用1.6m、1m長的M鋼帶搭接。③ 錨桿排距800mm，允許偏差±100mm。

④ 每根Φ22×2200mm高強(qiáng)錨桿使用2支MSM2350樹脂錨固劑。

⑤ 幫錨桿的預(yù)緊力矩不得小于200N·m，不大于 250N·m。

3.4 巷道加固

（1）擴(kuò)幫前，超前擴(kuò)幫段在原巷道頂板偏移測量中心線左側(cè)710mm（1760mm）布置一排錨索梁加固，錨索梁順巷道方向布置，每3根π型梁使用一根錨索梁索好，錨索梁梁端錨索間距為600mm。錨索梁使用π型梁加工，一梁兩索，長度2.1m，眼距1800mm，錨索為Φ21.6×8300mm鋼絞線，每根錨索配一塊90×90×16mm錨索托盤。錨索梁加固超前擴(kuò)幫段不小于5m。

（2）錨索梁超前加固好后，保持巷道最左側(cè)單體液壓支柱不動，拆除其余三根單體液壓支柱，然后一次擴(kuò)幫、拉底到位。

（3）擴(kuò)幫段錨網(wǎng)支護(hù)加固后，在巷修段巷道頂板平行鋼帶方向布置錨索梁加固，錨索梁滯后迎頭的距離不超過50m。

① 將擴(kuò)幫側(cè)π型梁梁端使用Φ6mm鋼絲繩固定在巷道頂板上。

② 退掉超前支護(hù)的錨索錨具，在加固錨索同一斷面平行于鋼帶方向布置錨索梁（12#槽鋼加工，一梁四索，長度4.0m，梁左側(cè)三眼相鄰眼距為1050mm，右側(cè)眼距為1500mm）加固，錨索梁排距為900mm。

③ 使用錨索為Φ21.6×8300mm鋼絞線。

（4）待巷道錨索梁加固結(jié)束后，拆除巷道最左側(cè)單體液壓支柱，回掉原抬棚頂板π型梁。

3.5 架棚支護(hù)

（1）回柱。巷道巷修前需要將擴(kuò)幫范圍內(nèi)中間和擴(kuò)幫側(cè)的單體液壓支柱拆除。回柱前，必須對擴(kuò)幫段頂板進(jìn)行超前加固，待巷道錨索梁加固結(jié)束后，拆除巷道最左側(cè)單體液壓支柱，回掉頂板π型梁。

（2）改柱打抬棚。改柱打抬棚前，對最左側(cè)單體液壓支柱處巷道底板人工拉底順平，然后在巷道內(nèi)緊貼采空區(qū)側(cè)重新布置“π型梁+單體液壓支柱”進(jìn)行加固（已布置抬棚加固的不再打設(shè)），“一梁四柱”，單體液壓支柱平行于巷道方向布置。

圖4 2802下順槽巷道維修后巷道斷面支護(hù)示意圖

4 效果

2802下順槽自2018年8月開始巷修，至 2019年1月17日巷修結(jié)束，共計(jì)巷修進(jìn)尺1175.5m，巷修時間5.5個月，月均巷修進(jìn)尺214m/月?？紤]陳四樓煤礦為煤與瓦斯突出礦井，掘進(jìn)期間考慮瓦斯治理、超前探測等因素，巷道綜掘正常掘進(jìn)月平均進(jìn)尺為130m/月，掘進(jìn)一條新巷道需9個月，采用沿空留巷快速巷修巷道施工工期可提前3.5個月，減小了采掘接續(xù)壓力。