人工復(fù)合假頂技術(shù)在近距離煤層巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

許 起

(長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101)

近距離煤巖層巷道掘進(jìn)過程中，受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響，近距離煤巖層穩(wěn)定性降低，煤巖層內(nèi)裂隙發(fā)育[1-4]，同時(shí)由于煤層厚度小，采用傳統(tǒng)錨桿(索)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖相對(duì)破碎，導(dǎo)致支護(hù)體錨固失效現(xiàn)象嚴(yán)重，而且在對(duì)支護(hù)體施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，無法通過桿體有效傳遞至圍巖巖層中[5]，導(dǎo)致支護(hù)效果差、支護(hù)難度大[6-10]，很容易發(fā)生頂板垮落事故。本文以長(zhǎng)春興煤礦602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷掘進(jìn)為例，針對(duì)近距離煤層巷道掘進(jìn)支護(hù)主要存在的技術(shù)難題，提出了“人工復(fù)合假頂+密集工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

1 602運(yùn)輸巷概述

長(zhǎng)春興煤業(yè)602運(yùn)輸巷位于井田南盤區(qū)，巷道北部為實(shí)煤區(qū)，東部為南回風(fēng)大巷二段、南帶式輸送機(jī)大巷二段、南運(yùn)輸大巷二段，南部為602回風(fēng)巷，西部為井田邊界，如圖1所示。

圖1 602運(yùn)輸巷平面布置示意

602運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 680 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道頂板采用“錨桿(索)+W型鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5根長(zhǎng)度為2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿布置排間距為1.0 m，同一排錨桿外露端安裝1根長(zhǎng)度為4.2 m“W”型鋼帶，鋼帶寬度為0.28 m，厚度為4 mm；頂板每排布置3根錨索，錨索長(zhǎng)度為6.5 m，直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.6 m，排距為3.0 m；巷道掘進(jìn)煤層為22號(hào)，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 602運(yùn)輸巷掘進(jìn)煤層頂?shù)装鍘r性

602運(yùn)輸巷采用的是綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為140 m，系統(tǒng)巷斷面規(guī)格與正巷規(guī)格相同，初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)巷采用兩種施工方案，第一種施工方案是巷道開口平掘與南回風(fēng)巷貫通，然后在回風(fēng)巷內(nèi)挑頂、施工人工風(fēng)橋；第二種方案是巷道開口是以一定坡度掘進(jìn)，巷道沿回風(fēng)巷底板掘進(jìn)，避免風(fēng)橋施工(如圖2所示)。通過綜合分析，決定采用第二種施工方案。

圖2 602系統(tǒng)巷兩種施工方案平面示意

2 系統(tǒng)巷施工方案及支護(hù)難題

2.1 施工方案

602運(yùn)輸巷從南帶式輸送機(jī)大巷二段開口施工，巷道開口前40 m以5°下山掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)到位后進(jìn)入南回風(fēng)大巷二段底板下方，然后平掘5 m后再以5°上山掘進(jìn)，掘進(jìn)40 m后沿22號(hào)煤層底板平掘，巷道過回風(fēng)巷底板時(shí)，兩巷層間距為1.5 m，如圖3所示。采用此種方式掘進(jìn)避免了風(fēng)橋施工，可提高巷道掘進(jìn)速度。

圖3 602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷穿層施工斷面、剖面圖

2.2 過巷掘進(jìn)支護(hù)難題

1) 支護(hù)難度大：由于602運(yùn)輸巷掘進(jìn)過南回風(fēng)巷二段底板時(shí)，兩巷層間距為1.5 m，而原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，錨索長(zhǎng)度為4.5 m，錨桿(索)在近距離煤層中無法實(shí)現(xiàn)樹脂錨固支護(hù)，支護(hù)難度大。

2) 掘進(jìn)安全系數(shù)低：南回風(fēng)巷二段底板主要以泥巖為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度不足15 MPa，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，巖體穩(wěn)定性差；而602運(yùn)輸巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，巷道過巷掘進(jìn)時(shí)，近距離煤巖層受采掘影響巖體出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象。不利于施工安全。

3 近距離煤層聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

為了解決近距離煤層巷道掘進(jìn)時(shí)支護(hù)難題，該礦研究決定，在602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷近距離煤層掘進(jìn)時(shí)采用“人工復(fù)合假頂+密集工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

3.1 人工復(fù)合假頂施工

1) 602運(yùn)輸巷開口下山掘進(jìn)至35 m處時(shí)停止掘進(jìn)，由地測(cè)科現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整中線，并在南回風(fēng)巷二段標(biāo)定出運(yùn)輸巷過巷區(qū)域。

2) 在南回風(fēng)巷二段指定區(qū)域底板進(jìn)行起底，起底長(zhǎng)度為7.0 m，寬度為4.5 m，起底深度為1.5 m，采用松動(dòng)爆破施工工藝進(jìn)行起底施工，每排布置3個(gè)爆破孔，共計(jì)布置5排，鉆孔深度為0.8 m，每個(gè)炮孔內(nèi)填裝1支礦用乳化炸藥以及1支毫秒延期電雷管。

3) 起底到位后，對(duì)起底坑內(nèi)進(jìn)行整平，然后在起底坑內(nèi)鋪設(shè)密集工字鋼梁，鋼梁長(zhǎng)度為7.0 m，起底坑內(nèi)共計(jì)鋪設(shè)42根鋼梁，鋼梁鋪設(shè)后兩端采用錨索穿拉并進(jìn)行預(yù)緊。

4) 鋼梁鋪設(shè)完后對(duì)坑內(nèi)進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土配比為水泥∶沙子∶石子=1∶2∶2，當(dāng)混凝土澆筑厚度達(dá)0.2 m后停止?jié)仓?，并在澆筑面上安裝4排錨桿，每排布置3根，錨桿長(zhǎng)度為1.5 m，錨桿布置間距為1.5 m，排距為2.0 m，如圖4所示。

圖4 “人工假頂+密集工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)施工斷面示意(mm)

5) 錨桿安裝后繼續(xù)澆筑直至澆筑面與南回風(fēng)巷二段底板平整，澆筑后4排錨桿外露端安裝長(zhǎng)度為4.0 m工字鋼梁，共計(jì)安裝4根并采用螺母將其預(yù)緊。

3.2 架設(shè)密集工字鋼棚

為了進(jìn)一步提高過巷期間頂板穩(wěn)定性，人工復(fù)合假頂施工完后在復(fù)合假頂下方架設(shè)1排密集工字鋼棚。

1) 人工復(fù)合頂板施工完后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)，為了防止EBZ型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)量大導(dǎo)致頂板失穩(wěn)現(xiàn)象，602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷過巷期間采用全斷面光面爆破施工工藝，爆破孔深度為1.2 m，采用礦用三級(jí)乳化炸藥以及毫秒延期電雷管進(jìn)行爆破，單茬掘進(jìn)量控制在0.6 m范圍內(nèi)。

2) 602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷掘進(jìn)至35 m處(距南回風(fēng)巷二段邊緣5.0 m),開始架設(shè)矩形工字鋼梁，工字鋼梁主要由頂梁、棚腿、底座以及3組拉桿(頂梁、棚腿各1組)等部分組成，工字鋼梁架設(shè)間距為1.0 m。

3) 矩形工字鋼梁滯后掘進(jìn)迎頭3.0 m處開始架設(shè)，當(dāng)巷道掘進(jìn)過巷5.0 m后停止架設(shè)鋼棚，共計(jì)架設(shè)15架鋼棚，所有鋼棚架設(shè)完后采用拉桿將相鄰兩架鋼棚進(jìn)行固定防止倒架現(xiàn)象。

4) 鋼棚架設(shè)完后應(yīng)對(duì)每一架鋼棚安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查，鋼棚架設(shè)后保證鋼棚頂梁與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，若巷道掘進(jìn)期間發(fā)現(xiàn)鋼棚出現(xiàn)變形、斷裂現(xiàn)象時(shí)必須及時(shí)進(jìn)行更換。

3.3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

截止2020年2月11日，602運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷已掘進(jìn)90 m，對(duì)巷道過巷段采取施工人工復(fù)合假頂以及架設(shè)密集工字鋼棚后，對(duì)人工復(fù)合假頂處安裝頂板離層儀，通過30 d現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，人工假頂以及密集工字鋼棚施工完后7 d范圍內(nèi)，頂板出現(xiàn)局部蠕動(dòng)變形現(xiàn)象，變形量為0.18 m，在7～16 d范圍內(nèi)頂板蠕動(dòng)變形逐漸控制，變形量為0.25 m，在16 d后頂板區(qū)域穩(wěn)定；采取“人工假頂+密集工字鋼棚”后頂板未出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象，有效解決了近距離煤層巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)難題。

圖5 602運(yùn)輸巷施工人工假頂后圍巖變形曲線圖

4 結(jié) 語

長(zhǎng)春興煤礦通過對(duì)601運(yùn)輸巷系統(tǒng)巷過巷期間采取“人工復(fù)合假頂+密集工字鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，取得了顯著應(yīng)用成效：

1) 通過對(duì)過巷段采取人工復(fù)合假頂后，與傳統(tǒng)煤巖層頂板相比人工復(fù)合頂板穩(wěn)定性強(qiáng)、密封效果好，而且有效解決了近距離煤層錨桿(索)支護(hù)難度大、支護(hù)效果差等技術(shù)難題。

2) 通過對(duì)過巷段架設(shè)密集工字鋼棚后進(jìn)一步提高了頂板穩(wěn)定性，避免了因頂板應(yīng)力大導(dǎo)致頂板下沉、斷裂現(xiàn)象以及應(yīng)力傳遞導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)垮落以及片幫現(xiàn)象，具有顯著應(yīng)用成效。