“兩軟一硬”厚煤層綜采工作面超前擴巷施工技術研究與應用

杜志遠，陳 冰

(河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670)

隨著礦井開拓水平的逐步延深，深部巷道壓力越來越大，給支護與開采帶來了很大的困難.回采巷道掘進完成后，尤其是巷道處于厚煤層中，在工作面回采前巷道變形最嚴重，必須重新擴修，造成生產(chǎn)成本增加，并給安全生產(chǎn)帶來危害.如何解決厚煤層擴巷施工方面的問題，針對存在的問題，通過對綜采工作面超前擴巷施工技術的研究，采用分層作業(yè)以及頂板打注漿錨桿、錨索，幫部打設錨索梁的方式，成功解決了在厚煤層擴巷施工的難題，也為地質條件類似的礦井在厚煤層綜采工作面超前擴巷施工技術方面提供了參考。

1 概況

(1)地質情況。河南省某礦主要開采二1煤層，因該區(qū)域煤層的性質屬于頂板硬，煤層及煤層底板軟，稱為“兩軟一硬”煤層。目前礦井正在生產(chǎn)的為204采煤工作面，通過地質資料分析和掘進過程中揭露地質情況顯示，該工作面回采范圍內二1煤賦存較穩(wěn)定，局部煤層厚度變化較大。204綜采工作面內煤層厚度0.4～9.3 m，平均厚4.6 m，煤層結構簡單，局部有夾矸。根據(jù)巷道揭露情況顯示，204綜采工作面地層總體呈傾向NE40°～NE50°的單斜構造，傾角14°～28°，平均21°。工作面整體呈兩端高、中間低的寬緩向斜形態(tài)，局部發(fā)育小褶曲，工作面內發(fā)育斷層較多，均為正斷層，落差不大于5 m，地質構造復雜程度中等。

(2)采面運輸巷原支護方式。204運輸巷掘進期間，在YS12測點以西16 m至YS14測點以東24 m范圍內，因煤層變厚，由原來的沿頂掘進逐漸進入托頂煤掘進，頂煤最大厚度3.7 m，局部地點留有底煤，底煤最大厚度3.5 m，巷道采用36U型鋼可縮性支架支護。

為保證204綜采工作面在回采期間正常推進及后期沿空留巷的支護需要，在工作面回采前需對該厚煤區(qū)域進行擴巷并沿頂施工，在厚煤層中進行擴巷，由于之前托頂煤施工，頂煤最厚處達到3 m，若要沿頂施工，巷道中高將達到6 m左右，且擴巷后由于斷面大，更容易導致巷道變形。通過對綜采工作面超前擴巷施工技術的研究，采用分層作業(yè)以及頂板打注漿錨桿、錨索，幫部打設錨索梁的方式，成功解決了在厚煤層擴巷施工的難題[1-4]。 204綜采工作面運輸巷擴巷位置如圖1所示。

圖1 204綜采工作面運輸巷擴巷位置Fig.1 Location map of roadway expansion of transportation gateway in 22204 fully-mechanized mining face

2 工作面超前擴巷施工技術

2.1 分臺階施工

(1)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，替換棚子全部沿巷道頂板施工，因巷道高度較高，采取分臺階施工，先對原U型鋼頂梁以上的煤層進行施工，U型鋼頂梁以上的煤層施工結束后，原支護的U型鋼棚可以保留3～5棚先不進行拆除，上分層距未拆除的U型鋼棚不超過7棚(4.8 m)。因巷道高度較高并結合巷道換棚結束后的工程安排，巷道幫部的U型鋼棚腿可以暫不拆除，待巷道全部換棚結束后再進行拆除[5-9]。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，頂煤厚度大于2 m時，采用玻璃鋼單體柱進行支護，單體柱打設在保留的U型鋼頂梁上，在U型鋼頂梁上面鋪設木板，單體柱站立在木板上對頂板進行臨時支護，單體柱打設在中線兩側1.0～1.5 m的位置，打設2根。頂煤厚度小于2 m時，不在使用臨時支護。

(3)具體施工方法。①施工前，要嚴格執(zhí)行敲幫問頂制度，在現(xiàn)場施工前班組長必須先對頂、幫進行細致的觀察，及時處理頂幫的活矸、碎煤，發(fā)現(xiàn)其他不安全隱患，處理后方可進行作業(yè)。②換棚前首先進行超前臨時支護，在U型鋼棚梁中間使用單體液壓支柱配合劈子或道板托住頂部鋼網(wǎng)，控制頂板，超前單體液壓支柱的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場頂板情況進行打設，單體液壓支柱必須升緊，并使用防倒繩固定在頂部鋼筋網(wǎng)上。另外在需拆除的U型鋼棚下打設1根單體液壓支柱進行加固。③超前支護打設完后拆除U型鋼限位卡纜、連接卡纜，卸U型鋼棚螺絲時操作人員應站在U型棚腿側面，不得正對U型棚螺絲。④拆除U型鋼梁時，嚴格按照拆一棚支護一棚進行。施工期間一人對單體液壓支柱進行泄壓，一人監(jiān)護，根據(jù)U型鋼梁壓力釋放情況進行緩慢泄壓，待U型鋼梁壓力完全釋放后，2～3人扶住U型鋼梁兩端，慢慢將U型鋼梁卸掉。拆U型鋼弧形梁期間，一定要穩(wěn)，可采取防倒繩將弧形梁捆綁在頂部鋼筋網(wǎng)上，防止其傾倒傷人。⑤U型鋼梁拆除后，開始挖梁窩，然后鋪設塑編網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)閉頂，使用2根單體液壓支柱架設Π型鋼梁，Π型鋼梁不接頂?shù)囊褂帽衬?、劈子進行絞架。⑥頂板完全控制后，進行挖柱窩，拆除U型鋼棚腿和鋼筋網(wǎng)、塑編網(wǎng)。然后按照設計尺寸進行刷幫，鋪設幫部鋼筋網(wǎng)、塑編網(wǎng)閉幫。補齊單體液壓支柱后，對單體液壓支柱進行重新加壓，達到設計壓力。⑦更換一棚后應對以下項目進行檢查，不合格及時進行處理。⑧巷道超高段采用分臺階施工，每天零點班施工原巷道U型鋼支護頂梁以上的煤層并全部支護完畢，捌點班拆除后巷的U型鋼頂梁及下幫棚腿，進行刷幫打設幫部錨桿，肆點班施工頂部的錨索。

2.2 擴巷支護工藝

2.2.1 永久支護參數(shù)設計

(1)錨桿長度計算[10-11]。錨桿長度按懸吊理論計算。

L=KH+L1+L2

(1)

式中，L為錨桿長度；H為自然平衡拱高度(H=B/2f，其中，B為巷道掘進最大寬度，約5 m；f為巖石堅固性系數(shù)，取3；計算得H=0.8 m)；K為安全系數(shù)，K=1.2～2.0，一般取K=2.0；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取0.5 m；L2為錨桿在巷道的外露長度(巖石外)，一般取0.1 m。

則L=2.2 m，礦井選用錨桿長度2.5 m，滿足要求。

(2)錨桿間距和排距計算。間排距可根據(jù)每根錨桿懸吊的巖石所受重力確定，即錨桿懸吊的巖石重量大于(等于)錨桿的錨固力?？砂撮g、排距相等原則排列，即：

(2)

式中，a為理論上錨桿間、排距；K為錨桿安全系數(shù)，取K=2.0；γ為巖體重力密度，取25.48 kN/m3；Q為設計的錨固力，取105 kN；H為自然平衡拱高度，經(jīng)計算H=0.8 m。

根據(jù)支護經(jīng)驗，頂部桿間排距為800 mm×800 mm，幫部錨桿間排距為700 mm×800 mm。

錨桿間排距驗算：錨桿間、排距不大于0.5倍的錨桿長度，錨桿間排距a(0.8 m)<0.5L=1.25 m，符合要求。

(3)錨桿直徑計算。

(3)

式中，D為錨桿桿體直徑；Q為設計的錨固力，取105 kN；σ為桿體材料的抗拉強度，錨桿強度按330 MPa考慮。

代入數(shù)據(jù)計算得，D=20.2 mm。

通過計算得出，巷道頂板破碎時選用φ25 mm、長2 500 mm的注漿錨桿，頂板完好時選用φ22 mm、長2 200 mm的高強錨桿，巷道幫部選用φ22 mm、長2 200 mm的高強錨桿，頂部錨桿間排距均為800 mm，幫部錨桿間排距為700 mm×800 mm。

(4)錨索支護參數(shù)計算。錨桿支護的作用是保證錨桿錨固區(qū)內的巖層不發(fā)生離層，而錨索的作用是保證錨桿錨固區(qū)與錨固區(qū)外的巖層不發(fā)生離層，為了保證錨索支護的有效性，需要將錨索錨固到上覆穩(wěn)定巖層中。錨索的長度應該處于彈性應力影響范圍之內。錨索的長度L′應該滿足公式：

L′=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中，L′為錨索總長度；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，按巷道高度的2倍考慮；Lc為托板及錨具的厚度，取0.05 m；Ld為外露張拉長度，取0.3 m。

將相關數(shù)據(jù)代入公式計算得，L′=6.29 m。因此，錨索的長度應該大于6.29 m，22204運輸巷錨索長度采用7 m。

由于采用全長注漿錨固，因此錨索的軸向抗拉和切向抗剪能力得到有效提高，錨索將錨桿支護形成的預應力承載結構與深部圍巖相連，發(fā)揮深部圍巖的承載能力，提高預應力承載結構的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場施工時，錨索應盡可能錨固在圍巖內部相對較穩(wěn)定的巖層中，確保錨固效果。同時，錨索長度應與錨索預應力相匹配，錨索越長，施加的預應力應越大。高預應力的短錨索支護效果比低預應力的長錨索支護效果好。經(jīng)分析，最終確定：頂板完好時采用φ21.6 mm、長9 m或10.3 m普通錨索；頂板不完好時，采用φ22 mm、長7 m的注漿錨索。

2.2.2 加強支護方式

(1)錨索梁的使用。為了增加支護強度，換棚后在巷道幫部打設錨索梁進行加固，錨索梁打設在距頂板1.2 m處，巷道高度超過5 m時打設兩道錨索梁，兩道錨索梁間距1.5 m，幫部錨索梁允許滯后3.2 m(4排)。204綜采面運輸巷擴巷支護斷面如圖2所示。

圖2 204綜采面運輸巷擴巷支護斷面Fig.2 Cross section of roadway expansion supporting in 204 fully-mechanized face

(2)注漿錨桿及注漿錨索的使用。在巷道頂板破碎時，打設注漿錨桿及注漿錨索。在進行注漿作業(yè)前先進行噴漿，噴漿厚度不小于50 mm，對巷道噴漿后，待24 h噴漿體凝固后方可進行注漿作業(yè)。使用2ZBQ-11.5/3型風動注漿機，向注漿錨桿及錨索內進行注漿作業(yè)，以此來加強巷道頂板支護強度。

3 實施效果

通過采用分層作業(yè)以及頂板打設注漿錨桿、注漿錨索，幫部打設錨索梁的方式，成功解決了在厚煤層擴巷施工以及擴巷后巷道容易變形的難題，于2020年9月底厚煤層區(qū)域擴巷工程安全施工結束。

4 結語

通過對厚煤層工作面超前擴巷施工技術的研究，采用分層施工，以及頂板打設注漿錨桿、注漿錨索并在巷道幫部打設錨索梁的支護工藝，成功解決了厚煤層擴巷施工以及擴巷后巷道容易變形的難題。該新技術的成功應用，能夠起到更好的超前擴巷支護效果，同時能夠將超前支護和沿空留巷的加強支護方式結合在一起，簡化了工序，大大減輕了工人的勞動強度，對于后期沿空留巷遭受動壓影響也將起到很好的控制作用。研究為地質條件類似的礦井在厚煤層綜采工作面超前擴巷施工提供了參考。