鄰近采空區(qū)巷道掘進(jìn)工藝和支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用

閆蹬杭

（陜煤黃陵礦業(yè)有限責(zé)任公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

0 引言

黃陵一號(hào)煤礦625工作面是建礦以來可采最長、儲(chǔ)量最大智能化綜采工作面，而625回風(fēng)順槽及625切眼是作為工作面形成所需的安裝準(zhǔn)備巷來使用的，該巷道在掘進(jìn)施工過程中通常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重頂幫垮落，巷道掘進(jìn)施工后會(huì)底鼓，巷道中下幫部也易出現(xiàn)大幅收斂現(xiàn)象，且易存在大量的支護(hù)失效情況，嚴(yán)重影響工作面行車、行人、設(shè)備安裝。因此，要想找到更科學(xué)、更合理的巷道掘進(jìn)施工工藝及支護(hù)方案，來更好的保障礦井生產(chǎn)接續(xù)工作面的形成和安全生產(chǎn)，必須以實(shí)際情況為基礎(chǔ)，進(jìn)行深入分析。對(duì)此，筆者通過深入觀測黃陵一號(hào)礦1001-1007切眼、621切眼及623切眼巷圍巖實(shí)際變形破壞情況，并基于現(xiàn)場觀測情況與相關(guān)理論進(jìn)行了深入分析，最終確定了“留頂煤→割底→割幫→割頂煤→輕微修頂”的掘進(jìn)工藝及“塑鋼網(wǎng)＋錨桿支護(hù)＋金屬網(wǎng)＋4.2 mT140鋼帶托梁＋21.8 mm×12 300 mm鋼絞線”的聯(lián)合支護(hù)方案，同時(shí)借助工程實(shí)踐，進(jìn)一步優(yōu)化了施工方案，最終達(dá)到了較理想的巷道成型效果。

1 工程概況及地質(zhì)條件

黃陵一號(hào)煤礦的625回風(fēng)順槽及625切眼布置在2號(hào)煤層中，為黑色，塊狀，屬半亮型煤，弱瀝青光澤，條帶狀、線理狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙發(fā)育，被方解石及黃鐵礦薄膜充填，夾矸為黑色泥巖。掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚2.2～2.9 m，平均厚2.5 m左右，傾角1°～3°，結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定、易自燃煤層。直接頂為粉砂巖、泥巖，平均厚6.1 m，粉砂巖：灰黑色，條帶狀構(gòu)造，含較多植物化石碎屑和黃鐵礦薄膜，中夾薄層泥質(zhì)砂巖，泥巖：黑色，塊狀，可見白云母星點(diǎn)和植物化石碎屑。而對(duì)于巷道頂板圍巖而言，其主要為平均6.1 m的粉砂巖和泥巖層。巷道直接底為泥巖，平均厚為4 m，灰黑色，塊狀，含少量植物化石碎屑，中夾薄層粉砂巖，且直接底相對(duì)較松軟。

625回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中最后540多米臨近1001工作面采空區(qū)掘進(jìn)的，間隔30 m，然后掘進(jìn)625切眼，切眼以北30 m為1001工作面采空區(qū)、以南30 m為623工作面采空區(qū)、以東臨近煤層異常帶，且該切眼位置平行于十盤區(qū)切眼，十盤區(qū)切眼由于地質(zhì)構(gòu)造原因，煤層平均厚度2.5 m，頂板為砂巖與泥巖互層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理南北走向，經(jīng)過十盤區(qū)1001-1007切眼及北二盤區(qū)623切眼掘進(jìn)情況發(fā)現(xiàn)，切眼掘進(jìn)期間頂板極差，頂部巖層大范圍掉落，臨時(shí)支護(hù)無法接頂需背大量道木，永久支護(hù)難度大，錨索鎖具易滑脫，且掘后頂板迅速下沉，頂板3 m上下出現(xiàn)離層，多數(shù)錨桿失效，頂部形成大量網(wǎng)包、底板迅速鼓起、兩幫收斂、巷道成型極差，如圖1所示。

圖1 巷道情況

由于頂板下沉伴隨迅速底鼓，巷道高度不足2.5 m，給井下各項(xiàng)工作造成制約；掘進(jìn)期間頂部矸石掉落，人工撿矸強(qiáng)度大，且給職工生命安全造成威脅。

2 巷道變形機(jī)理分析

對(duì)于巷道破碎巖體支護(hù)工作而言，可把巷道頂板、巷幫以及底板圍巖視作有機(jī)統(tǒng)一平衡體系，它們各自的破壞情況會(huì)影響到整體支護(hù)效果，同時(shí)任一區(qū)域出現(xiàn)的變形破壞，都可能借助應(yīng)力或應(yīng)變的傳遞方式對(duì)其它相鄰區(qū)域造成影響。

在巷道支護(hù)作業(yè)中，自穩(wěn)隱形拱是地下巷道穩(wěn)定的界面，并以此界面將頂部垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)向巷道兩幫。改變巷道頂角形狀或在頂板適當(dāng)位置加裝預(yù)應(yīng)力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，促使巷道取得較好的成型效果，同時(shí)，在礦井巷道中頂板載荷也會(huì)通過兩幫壁圍巖傳至兩幫底角圍巖，兩幫底角圍巖實(shí)際受力相對(duì)較大。若巷道兩幫與底角圍巖都沒有足夠的橫向支撐力而逐步擠向巷道內(nèi)部，使巷道斷面縮小，易造成巷道底板出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象。此外，巷道底板強(qiáng)度降低后，巷道的零位移點(diǎn)以及零應(yīng)變點(diǎn)都會(huì)逐步移向底板深部，且隨巷道圍巖強(qiáng)度的降低，巷道底板底鼓量會(huì)越大。對(duì)此，在支護(hù)中不能單獨(dú)強(qiáng)調(diào)某一個(gè)部位的支護(hù)，而應(yīng)該注重支護(hù)的整體性，依靠合理的支護(hù)體系，并結(jié)合掘進(jìn)巷道實(shí)際圍巖性質(zhì)，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)截割工藝，方能達(dá)到理想巷道成型效果。

3 原支護(hù)方案分析

3.1 原支護(hù)方案及其支護(hù)效果

黃陵一號(hào)煤礦北二盤區(qū)625回風(fēng)順槽及625切眼采用的原支護(hù)方案主要為：兩巷道均為矩形巷道。

1）625回風(fēng)順槽頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，中間4排錨桿間距850 mm，靠幫側(cè)2排錨桿間距900 mm，錨桿排距為800 mm，“六--六”矩形布置；錨索梁用16號(hào)槽鋼加工，梁長4 600 mm，一梁四索，排距1 600 mm；兩幫部采用金屬錨桿+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四--四”矩形布置；頂、幫網(wǎng)均采用塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm，原巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 625回風(fēng)順槽原巷道支護(hù)方案圖

2）625切眼一次巷掘?qū)?.8 m，掘高2.9 m，頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。625切眼原巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 625切眼原巷道支護(hù)方案圖

錨桿間排距800 mm×800 mm，“六六”矩形布置；錨索梁采用16號(hào)槽鋼加工，梁長4 400 mm，一梁四索，排距1 600 mm；副幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，“三三”矩形布置；主幫錨桿間排距1 000 mm×1 500 mm，“二二”矩形布置；副幫及頂板鋪設(shè)塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm。切眼二次擴(kuò)幫寬2.4 m，高2.9 m，頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm，“三三”矩形布置；錨索梁用16號(hào)槽鋼加工，梁長3 000 mm，一梁三索，排距1 600 mm，與一次巷錨索梁并在一起支護(hù)；二次巷主幫重新采用錨桿+塑鋼網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距1 000 mm×1 500 mm，“二二”矩形布置；頂板及主幫鋪設(shè)塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm。

在以往正常巷道掘進(jìn)期間上述支護(hù)方案基本滿足了本巷道實(shí)際用途需求，但當(dāng)臨近工作面采空區(qū)掘進(jìn)施工期間，由于受頂板巖性、節(jié)理發(fā)育以及采空區(qū)殘余礦山壓力等因素的影響，621-623切眼、1001-1007切眼在掘進(jìn)過程中頂板均十分破碎，且伴有頂板大范圍掉落、頂板急劇下沉并形成大量網(wǎng)包、錨桿支護(hù)配備的螺母以及托盤便易出現(xiàn)拉裂破壞、壓彎錨索梁、鎖具大量滑脫、鋼絞線被拉斷等劇烈礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。這直接導(dǎo)致掘進(jìn)期間頂板管理難度大、施工工期長、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；綜采工作面安裝期間礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道收斂嚴(yán)重，行車、行人高度不足，對(duì)工作面安裝和頂板管理均不利。625切眼位于上述施工范圍中部，且切眼兩側(cè)均為采空區(qū)（623采空區(qū)、1001采空區(qū)），因此在施工前必須全面考慮，制定可靠的施工工藝優(yōu)化方案和頂幫支護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2 原掘進(jìn)工藝及支護(hù)方案后期圍巖破壞情況分析

3.2.1 實(shí)際掘進(jìn)工藝及頂幫支護(hù)狀況分析

黃陵一號(hào)煤礦的北二盤區(qū)東翼與北一盤區(qū)的東翼交匯處便是625回風(fēng)順槽及625切眼區(qū)域，該區(qū)域偽頂相對(duì)較厚，偽頂與直接頂相比，更軟弱，更易破碎，巷道偽頂通常較厚，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的錨固端很難到達(dá)直接頂部，導(dǎo)致在頂板表面構(gòu)建的加固系統(tǒng)缺乏足夠的強(qiáng)度，加之偽頂易存在大量的發(fā)育裂隙，當(dāng)受到周圍采空區(qū)壓力后，巷道偽頂便易破碎，易引發(fā)錨桿錨固結(jié)構(gòu)發(fā)生失效，同時(shí)錨索支護(hù)喪失有效著力點(diǎn)，支護(hù)失效，巷道頂板出現(xiàn)嚴(yán)重垮落、下沉現(xiàn)象，易拉斷該部位所用的錨桿、錨索等支護(hù)件。巷道大面積頂幫出現(xiàn)下沉及垮落現(xiàn)象。具體如圖4所示：

圖4 1001、1002及623切眼工作面頂板下沉、幫部垮落現(xiàn)象

3.2.2 實(shí)際掘進(jìn)工藝與幫、底情況分析

1001進(jìn)風(fēng)順槽、623進(jìn)風(fēng)順槽、1001及623切眼煤幫支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較弱，幫部支護(hù)布置不合理，采用的塑鋼網(wǎng)配合金屬錨桿通常很難對(duì)錨桿間煤體出現(xiàn)的位移進(jìn)行及時(shí)、有效控制，且回采工作面一側(cè)支護(hù)為玻璃鋼錨桿與木托盤支護(hù)，這種支護(hù)很難應(yīng)對(duì)剪切位移，很多錨桿出現(xiàn)破斷失效現(xiàn)象。兩幫也易出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，特別是采煤側(cè)易出現(xiàn)幫部破碎現(xiàn)象，加之巷道底板屬于支護(hù)體系下圍巖僅有的自由面，受圍巖壓力影響底板變易出現(xiàn)底鼓變形，而本次掘進(jìn)巷道處于該區(qū)域的中心位置，周圍被采空區(qū)包圍，巷道掘進(jìn)期間及掘進(jìn)后將面臨更加嚴(yán)重的收斂變形。

經(jīng)詳細(xì)分析上述現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)原支護(hù)方案，所用的支護(hù)材料強(qiáng)度偏小、幫部支護(hù)布置不合理，及掘進(jìn)期間割煤修幫工藝簡單粗糙是造成巷道幫部垮落、頂?shù)装迨諗康闹饕?，采空區(qū)殘余壓力作用于巷道圍巖后，肯定會(huì)加快支護(hù)體系出現(xiàn)破壞，引發(fā)巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重破壞現(xiàn)象。

4 支護(hù)方案改進(jìn)

4.1 巷道圍巖松動(dòng)圈實(shí)測

基于原支護(hù)方案下621-623回風(fēng)順槽及1001-1007切眼圍巖的實(shí)際破壞情況，我們在上述巷道及與其類似的幾個(gè)巷道中借助相關(guān)工具現(xiàn)場實(shí)測了巷道松動(dòng)圍巖的范圍，在測量中，我們應(yīng)用了較先進(jìn)的光學(xué)電值法（該方法主要是在圍巖表面打孔，并借助現(xiàn)代化的攝像裝備來拍攝圍巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況，以最終得出圍巖松動(dòng)圈情況），獲得了各巷道的圍巖松動(dòng)方位實(shí)測數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 巷道圍巖松動(dòng)方位實(shí)測數(shù)據(jù)表

仔細(xì)分析上述數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域巷道松動(dòng)圈主要集中在2.2～3.2 m之間，原支護(hù)的錨固端正好位于松動(dòng)圍巖內(nèi)，無法達(dá)到有效加固的效果。

4.2 優(yōu)化巷道掘進(jìn)工藝

由于625切眼煤質(zhì)堅(jiān)硬，在掘進(jìn)時(shí)采取留頂煤掘進(jìn)，待巷道底幫掘進(jìn)、修理到位后最后快速割頂煤，并及時(shí)支護(hù)頂板，縮短頂板直接承壓時(shí)間。割煤由巷道中下部開口進(jìn)刀，割出橫槽，順序?yàn)椋毫繇斆骸畹住顜汀铐斆骸p微修頂，進(jìn)刀深度800 mm，每循環(huán)進(jìn)尺調(diào)整為1.6 m，然后集中所有支護(hù)工，先快速支護(hù)頂板，再支護(hù)兩幫，縮短一次巷頂板跨度和掘進(jìn)時(shí)的空頂時(shí)間，做到短掘快支。根據(jù)臨時(shí)支護(hù)的寬度，將原切眼設(shè)計(jì)寬度4.8 m進(jìn)行調(diào)整，盡量縮短斷面寬度，縮短為4.4 m，巷道設(shè)計(jì)高度2.9 m降低為2.7 m，降低頂幫承壓，并要求巷道掘進(jìn)過程中傘檐底角全部處理徹底，保證巷道成型好。

4.3 優(yōu)化巷道支護(hù)技術(shù)

參照實(shí)測的松動(dòng)圈數(shù)據(jù)，黃陵一號(hào)煤礦北二盤區(qū)625回風(fēng)順槽及625切眼的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將主幫錨桿上移500 mm，盡量靠近頂板支護(hù)，而且剛好避過了臨時(shí)支護(hù)腿子的剮蹭，避免損壞幫錨桿，錨索全部改為21.8 mm×12 300 mm鋼絞線，排距800 mm，在每循環(huán)結(jié)束完成頂板塑鋼網(wǎng)＋錨桿支護(hù)后，再全斷面鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，規(guī)格：1 m×2 m，金屬網(wǎng)四周與塑鋼網(wǎng)綁扎，成為一體，使切眼頂板均勻受壓，減少了頂板下沉量和網(wǎng)包形成，在金屬網(wǎng)上再支護(hù)錨索，為防止掘后頂板下沉，提前在切眼口20 m及順槽正頭20 m給所有錨索頭套雙鎖具防止滑脫。優(yōu)化后支護(hù)方案主要為：

1）625回風(fēng)順槽頂板采用錨桿+T180型鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，中間4排錨桿間距850 mm，靠幫側(cè)2排錨桿間距900 mm，錨桿排距為800 mm，“六六”矩形布置；鋼帶規(guī)格T180 mm×4 600 mm，一帶四索，排距800 mm；幫部采用金屬錨桿+T140型鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四四”矩形布置，鋼帶規(guī)格T140 mm×2 600 mm，排距1 000 mm，1根鋼帶由4根錨桿固定；頂、幫網(wǎng)均采用塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm。錨索支護(hù)距離臨時(shí)支架后端不超過8 m，頂部錨桿支護(hù)距工作面不超過800 mm，每循環(huán)結(jié)束后幫部錨網(wǎng)支護(hù)空幫距不超過1 000 mm。

2）625切眼一次巷掘?qū)?.4 m，掘高2.7 m，頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm，“六六”矩形布置；錨索梁采用T140鋼帶加工，梁長4 200mm，一梁四索，排距800mm；副幫錨桿間排距1 000×1 000mm，“三三”矩形布置；主幫錨桿間排距1 000 mm×1 500 mm，“二二”矩形布置；副幫及頂板鋪設(shè)塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm。切眼二次擴(kuò)幫寬2.8 m，高2.7 m，頂板采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距800 mm×800 mm，“三三”矩形布置；錨索梁采用16號(hào)槽鋼加工，梁長3 000 mm，一梁三索，排距1 600 mm，與一次巷錨索梁并在一起支護(hù)；二次巷主幫重新采用錨桿+塑鋼網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距1 000 mm×1 500 mm，“二二”矩形布置；頂板及主幫鋪設(shè)塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm。625切眼兩端頭20 m范圍采用T180鋼帶配合φ21.8 mm×12 300 mm鋼絞線和T140鋼帶配合φ17.8 mm×10 300 mm鋼絞線交替支護(hù)，每根錨索消耗3根MS K2370型樹脂，二次巷錨索梁排距調(diào)整為0.8 m。具體如圖5所示：

圖5 625回風(fēng)順槽優(yōu)化后巷道支護(hù)方案圖

4.4 優(yōu)化掘進(jìn)工藝及支護(hù)技術(shù)后效果分析

掘進(jìn)工藝及支護(hù)技術(shù)調(diào)整后在625回風(fēng)順槽及625切眼進(jìn)行了應(yīng)用，取得顯著效果，具體見圖6：

圖6 625回風(fēng)順槽及625切眼掘進(jìn)工藝支護(hù)技術(shù)優(yōu)化后巷道成型情況

我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化后的方案不僅在掘進(jìn)施工過程中滿足了本巷道的需求，保證了625回風(fēng)順槽及625切眼鄰近采空區(qū)掘進(jìn)施工頂板安全，切眼礦壓顯現(xiàn)明顯改善，巷道收斂量減小，為工作面設(shè)備安裝創(chuàng)造了良好條件，有效地保證了礦井生產(chǎn)接續(xù)平穩(wěn)正常過渡。且在綜采工作面回采過程中，受到綜采工作面的回采應(yīng)力影響，包括該巷道施工高位抽放孔過程中，該巷道的承壓圍巖破壞變形明顯減少，除了因煤體風(fēng)化產(chǎn)生的幫部少量變形和巷道底板因水浸泡產(chǎn)生的少量底鼓外，沒有其他的明顯收斂，錨桿的螺母、托盤保持原支護(hù)狀態(tài)無破壞、錨索梁平直、鎖具壓無明顯承壓跡象。

5 結(jié)束語

本次臨近采空區(qū)巷道掘進(jìn)工藝及支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化，縮短了切眼施工工期，在更復(fù)雜的周圍地質(zhì)環(huán)境下由原來60d縮短為50d，多掘進(jìn)巷道160 m，產(chǎn)生效益80萬元；頂板平均掉矸量由原來700 mm減少為300 mm，減少撿矸（排）矸量432 m3，產(chǎn)生效益8.6萬元；減少巷道二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工程量，降低支護(hù)費(fèi)用6.8萬元。

經(jīng)仔細(xì)對(duì)比現(xiàn)場觀測結(jié)果，我們得出巷道破壞程度的大小與巷道的掘進(jìn)工藝、實(shí)際支護(hù)形式及具體支護(hù)參數(shù)存在較大關(guān)系。通過對(duì)影響巷道破壞變形因素的分析，并測定礦井工作面松動(dòng)圈情況及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化了巷道掘進(jìn)工藝和支護(hù)參數(shù)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證取得了較好的巷道成型效果。