大變形高頂區(qū)軌道巷修復設計與施工

張 彪

(山西晉煤集團 胡底煤業(yè)公司生產(chǎn)調(diào)度部，山西 晉城 048000)

隨著中國煤炭事業(yè)的不斷發(fā)展，開采深度在不斷地增加，地應力的增加導致巷道圍巖的穩(wěn)定性也隨之變?nèi)鮗1]。煤系地層圍巖軟弱，在高地壓作用下，巷道頂板容易出現(xiàn)嚴重變形破壞，支護困難[2-4]，甚至垮落后形成高頂區(qū)，修復極其困難。毋飛[5]通過對三軟煤層巷道變形破壞機理分析，形成了三軟煤層巷道變形控制理論，通過采用大斷面閉合支架配合錨索、注漿補強方案，有效控制了圍巖變形。王文才等[6]運用FLAC3D進行數(shù)值模擬，分析了巷道在挑頂不同階段巷道圍巖的應力分布和塑性變形情況，從而提出了巷道挑頂?shù)囟蜗锏乐ёo加固方案。牛偉[7]在礦壓觀測分析的基礎上，對動壓破碎巷道交叉點采用挑頂錨帶網(wǎng)配錨索桁架整修技術，解決了全面失穩(wěn)圍巖的整修加固問題。侯華營等[8]采用挑頂、擴幫的施工工藝和管縫錨桿錨網(wǎng)+36U型棚噴+壁后注漿的復合支護技術對松散破碎的軟巖高應力巷道進行了修復，有效控制了巷道變形。雖然上述研究對高頂區(qū)巷道圍巖控制提供了重要技術思路，但是高頂區(qū)巷道仍然存在頂板施工作業(yè)難度大、作業(yè)空間狹小、瓦斯易積聚等問題。對于高頂區(qū)的巷道支護與修復存在的不足之處，還需要進一步加強研究。本文提出了高頂區(qū)域巷道“放炮挑頂掘進+錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護”新思路，有效解決了高頂區(qū)域巷道修復問題。

1 工程概況

某礦井田煤層埋深較大，開采水平垂深達到700 m以上，井田內(nèi)主要地質(zhì)構造以褶曲為主，斷裂構造不發(fā)育，井田構造線方向與區(qū)域構造一致，地層總體走向為北北東或近南北向，地層傾向北西，傾角一般小于10°?，F(xiàn)開采的3號煤層位于山西組下部，煤層厚度5.20～6.15 m，平均厚度5.72 m，煤層傾角3°～10°，平均6°，煤層結(jié)構簡單，無夾矸。

1101采煤工作面采用“兩進兩回”四巷布置，外“U”為輔助通風巷道，布置在3號煤層頂板上方7 m左右的巖層中；內(nèi)“U”為巷道煤巷，沿3號煤層頂板掘進。1101軌道巷因頂板壓力大，頂板下沉形成大面積網(wǎng)包，造成局部區(qū)域頂板垮落。巷道頂板巖性為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、夾薄層透鏡狀中粒砂巖，厚度8.19 m。頂板垮落區(qū)域位于巷道14°坡下山變5°坡往前10.6 m區(qū)域，最大垮落高度5.8 m。處理事件時，原計劃采用傳統(tǒng)的方式“架棚到高頂區(qū)域，再在高頂區(qū)域構假頂”維護頂板進行處理。推進至高頂區(qū)域前時，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域破碎嚴重，人員無法進入進行構頂，已嚴重影響作業(yè)安全與工作進度。

2 傳統(tǒng)處理高頂區(qū)的方法及存在的問題

2.1 傳統(tǒng)處理冒高頂區(qū)的方法

根據(jù)現(xiàn)場情況，計劃按照傳統(tǒng)的方法，從高頂區(qū)域前方30 m處開始清理矸石和架棚維護頂板。采用Π型鋼梁作頂梁，液壓單體柱作棚腿，按照“一梁三柱”的方式架棚，邊清矸邊支護，對高頂區(qū)域前后的不穩(wěn)定巷道進行維護。至高頂區(qū)區(qū)域時，再打木垛構頂進行臨時支護，然后錨網(wǎng)噴永久支護，最后構人工頂板通過高頂區(qū)域。

2.2 傳統(tǒng)處理方法存在的問題

(1)在推進至高頂區(qū)域后對其進行木垛構頂時，發(fā)現(xiàn)高頂區(qū)域頂板垮落過高，加上原巷道高度，最高達8.8 m，若要打木垛，需要先清理底板上活矸，空間狹小，作業(yè)難度很大。

(2)高頂區(qū)域活矸較多，頂板仍不穩(wěn)定，在按照上述方式推進至高頂區(qū)域準備用木垛構頂時，頂板不斷有活矸掉下，高頂區(qū)域的頂板破碎圍巖條件極不穩(wěn)定，很可能發(fā)生頂板垮落傷人事故，不能保證人員進入作業(yè)安全。而高頂區(qū)域堆矸較多，清矸量大、條件困難，作業(yè)時間長，要完成清矸再進行頂板臨時支護，時間太長，發(fā)生安全事故的風險太大，因此必須重新制定處理方案。

(3)按傳統(tǒng)方法處理后，高頂區(qū)域前后區(qū)域頂板仍存在隱患，只是進行了加強支護，后期仍可能影響到安全生產(chǎn)。

(4)按傳統(tǒng)方法處理后，高頂區(qū)域存在冒落風險區(qū)需要充填處理，否則容易積聚瓦斯；且該區(qū)域巷道過高，后期維護難度大。

3 優(yōu)化方案及巷道支護參數(shù)

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)1101軌道巷生產(chǎn)地質(zhì)條件以及存在問題，提出以下改進方案。

(1)軌道巷高頂區(qū)域前巷道為14°下山，高頂區(qū)域位于坡底的變坡點，考慮在頂板區(qū)域以其頂板為巷道頂板，原巷道及高出區(qū)域人為用矸石充填，再按照一定坡度向巷口上坡方向延伸，等同于對該區(qū)域局部進行挑頂，將巷道坡度變小。

(2)通過查詢施工設計和現(xiàn)場勘察，在高頂區(qū)域向巷道上坡方向約32 m的位置，留有一個因巷道由巖層進入3號煤層直至變?yōu)槊合锏慕唤訁^(qū)域，因巷道頂部巖層逐步變薄而難以保留而形成的1個冒落風險區(qū)，高約0.9 m，以點為頂板，與高頂區(qū)頂板的連線約5°下山，從距離和坡度來說也非常合適。

(3)在通過高頂區(qū)域后，再將高頂區(qū)域的頂板向原巷道頂板進行隨坡，計劃在10 m范圍內(nèi)隨至設計巷道，隨頂區(qū)域為11°下山，巷道頂板也較為平整。

(4)根據(jù)以上思路對處理高頂區(qū)制定了“挑頂填底，挑高巷道”的方案，并完成了方案設計。通過計算，重新設計后，軌道巷進入全煤位置，在采面距終采線為30 m，能夠保證回采要求。

(5)對該區(qū)域巷道坡度重新進行設計，將對圖1所示的陰影部分進行爆破挑頂，對新設計巷道底板以下的舊巷道進行充填，保證斷面要求即可，挑頂后新巷道采用錨網(wǎng)噴支護。

圖1 巷道挑頂掘進示意Fig.1 Schematic diagram of roadway roof lifting driving

(6)推進至高頂區(qū)域時，類似于正常掘進巷道挑頂，逐排對巷道頂板進行支護，再對矸石進行清理。

3.2 實施步驟

從作業(yè)地點開始以 -5 °坡度開始向前挑頂。放下頂板矸石填充到原巷道，并與周圍區(qū)段底板隨平，其余矸石利用耙矸機出矸，挑頂長度52 m。第1區(qū)段(AB段)：巷道A點→B點按由0.6 m→3 m平緩過渡進行挑頂，從A點開始抬高0.6 m后以5 °下山挑頂掘進32 m，第一區(qū)段結(jié)束點頂板為原巷道頂板上抬3 m。第2區(qū)段(CD段)：巷道C點→D點按由3 m→0 m平緩過渡進行挑頂，從C點開始以11 °下山向前挑頂10 m。

3.3 挑頂巷道支護設計

20世紀50年代以來，我國開始使用錨桿支護技術，目前，錨桿支護理論的分析研究已經(jīng)比較完善[9-10]，錨桿支護技術在我國煤礦已經(jīng)得到了廣泛的應用，尤其是在高應力軟巖巷道支護中取得了不錯的效果[11-15]，放炮挑頂掘進后對裸露巖體進行錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護。根據(jù)錨注理論[16]、強幫強角支護理論[17]、圍壓恢復加固理論[18]、巷道承壓環(huán)強化支護理論[19]以及聯(lián)合支護理論[20]，通過錨桿與注漿工藝的有機結(jié)合加強巷幫支護，提高圍巖的自承能力，從而提高整體的穩(wěn)定性。

挑頂巷道支護設計(圖2)：①錨桿及配件。規(guī)格為MSGLW-500/22×2400左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，桿體材質(zhì)為BHRB500，延伸率不小于15%。②錨桿配件。采用強力錨桿螺母，配合高強度托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用高強度拱型托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于255 kN。③錨桿支護參數(shù)。頂錨桿排距為1 000 mm，每排5根，間距為900 mm，最靠近幫上的一根頂錨桿距巷幫200 mm；眼深2350 mm，允許偏差±10 mm；錨固力不小于150 kN，預緊力矩不小于400 N·m，錨桿外露10～40 mm；錨桿排間距允許偏差±100 mm；頂錨桿與頂板角度為90°，允許偏差±15°。幫錨桿間排距均為1 000 mm，距巷道原錨桿1 000 mm進行補打，幫部距頂最近的一根錨桿距巷道頂板不得超過500 mm，超過500 mm，必須進行補打錨桿。幫錨桿錨固力不小于150 kN，預緊力矩不小于200 N·m，錨桿外露10～40 mm。④錨固劑。MSK2335、MSZ2360樹脂錨固劑。⑤錨索及配件。錨索材料為φ22 mm鋼鉸線，長度為7 300 mm。錨索采用加長錨固，每根錨索安裝時端頭用MSK2335和MSZ2360樹脂錨固劑各2支，預拉力不小于200 kN。⑥錨索配件。托板采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，托板承載能力不低于550 kN。⑦錨索支護參數(shù)。矩形布置，間距1.8 m，排距2.0 m。⑧鋼筋托梁。采用φ14 mm的鋼筋焊接而成，寬度為80 mm，頂板鋼筋托梁長度為3 800 mm，型號為φ14 mm-3800 mm-80 mm-5 mm，巷幫鋼筋托梁長度為2 100 mm，型號為φ14 mm-2100 mm-80 mm-3 mm。⑨聯(lián)網(wǎng)絲。16號鐵絲雙股。⑩網(wǎng)片。金屬網(wǎng)為φ6.5 mm鐵絲編制的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm；網(wǎng)片搭接不小于100 mm，網(wǎng)片連接采用雙股16號鐵絲對折后扭接。挑頂區(qū)域頂幫鋼筋網(wǎng)與原支護幫部菱形網(wǎng)搭接，采用雙股16號鐵絲對折后扭接。P.O42.5號普通硅酸鹽水泥，粒徑5～10 mm細粒石子，中粗粒黃砂，含泥量不超過3%，清水管供水。

當挑頂過程中，巷道超寬時，頂板距幫最近一根錨桿距幫不得大于500 mm，超過500 mm，必須補打頂錨桿，且補打的錨桿距相鄰頂錨桿不得大于900 mm。同樣，當頂板錨索距幫超過1.8 m時，需補打頂錨索，且相鄰兩根錨索間距不大于1.8 m。當巷道超寬大于6 m，且單幫超過1.5 m時，必須打木垛補強支護。

圖2 挑頂巷道斷面支護示意Fig.2 Schematic diagram of cross section supporting of roof lifting roadway

4 高頂區(qū)作業(yè)安全管控措施

(1)巷道在挑頂推進過程中，采用爆破落矸的方式，隨著挑頂厚度的增加，由于爆破后頂板瞬間全部垮落，可能出現(xiàn)落矸堵塞通風斷面的情況。因此，在作業(yè)前要先安裝局部通風機，作業(yè)過程中隨時檢查工作面通風瓦斯情況，發(fā)現(xiàn)通風不暢通或瓦斯增大等異常情況及時用局部通風機進行局部通風。

(2)作業(yè)過程中，要嚴格使用臨時支護，加強頂板控制，保證作業(yè)安全。在正常情況下使用“前探梁”式臨時支護，在頂板不好或高頂區(qū)域采用點柱式臨時支護。

(3)為提高作業(yè)效率，挑頂中采用耙矸機出矸，但在矸石運輸過程中工作面不得進行作業(yè)，保證作業(yè)安全。

5 現(xiàn)場觀測

通過在巷道內(nèi)布置測點觀測巷道頂?shù)装逡约皟蓭鸵七M量，實行改進后的方案、增強支護強度，巷道變形量有明顯減小，巷道變形得到了有效控制，在改進前后巷道變形量對比如圖3所示。

6 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)處理高頂區(qū)的方法存在著作業(yè)量大、作業(yè)空間狹小、易造成瓦斯積聚等問題。對原方案進行改進，提出了“放炮挑頂掘進后對裸露巖體進行錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護”的處理技術方案，提高了施工的安全系數(shù)與作業(yè)效率。

圖3 改進前后巷道變形量對比Fig.3 Comparison of roadway deformation before and after improvement

(2)通過有效組織，用20 d完成了高頂區(qū)處理，沒有發(fā)生安全事故，處理后，巷道除原高頂區(qū)域巷道超高外，其他區(qū)域非常平整，沒有留下任何隱患。支護后巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃蔚玫矫黠@的控制，有效解決了頂板冒落風險與巷道修復的問題，為同類條件下的高頂區(qū)域的處理提供了新的思路和方法。