開拓巷道過采空冒落區(qū)支護(hù)工藝實(shí)踐

＊趙 江

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 032000）

資源整合礦井受之前小窯破壞影響，存在較多不規(guī)則、零星分布的采空區(qū)，在礦井建設(shè)過程中造成較大的安全隱患。開拓巷道遇到采空冒落區(qū)時(shí)所采取的支護(hù)技術(shù)直接影響到其安全生產(chǎn)、支護(hù)效果及掘進(jìn)速度等，因此，對(duì)開拓巷道過采空冒落區(qū)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，制定出合理的支護(hù)方案，對(duì)正升煤業(yè)的安全高效生產(chǎn)具有較高的價(jià)值與必要性。

1.工程背景

圖1 西翼膠帶大巷過空巷示意圖

正升煤業(yè)西翼膠帶大巷沿煤層掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，當(dāng)施工至L2點(diǎn)前79m處，揭露原安源采空區(qū)，根據(jù)原地質(zhì)資料分析，該段采空為2008年回采，采空范圍長(zhǎng)度40m，開采高度為7m左右，采空區(qū)范圍內(nèi)已全部垮落充填，主要以石灰?guī)r為主。由于井底煤倉(cāng)已形成，西翼膠帶大巷左右兩側(cè)35m為西翼回風(fēng)大巷和西翼軌道大巷，無法左右繞過采空區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料通過采空區(qū)后煤層為7°～8°上山，為確保通過采空區(qū)后進(jìn)入煤層，合理布置采煤系統(tǒng)，下穿或上穿均不可行，因此西翼膠帶大巷掘進(jìn)方案確定為繼續(xù)沿原方位和坡度強(qiáng)行通過該采空區(qū)域。

2.施工方案

西翼膠帶大巷穿過該采空區(qū)域時(shí)，上下左右均為采空區(qū)冒落碎石回填區(qū)，且冒落高度大，錨桿、錨索因無法錨固在穩(wěn)定巖層中起不到錨固作用而失效，故原設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)噴工藝已不適于穿越該采空區(qū)。

根據(jù)該段圍巖情況，做如下分析：

（1）由于該采空區(qū)段圍巖破碎，壓力來源各向不均勻，故考慮通過架設(shè)拱形U型鋼棚或矩形工字鋼棚支護(hù)通過。

（2）在向前掘進(jìn)過程中，由于圍巖不穩(wěn)定，需要一段相對(duì)安全的操作空間，可以采用超前工字鋼預(yù)支護(hù)或者采用鋼管帷幕超前支護(hù)，即提前沿輪廓線在頂拱及兩幫超前打孔后施工一圈鋼管，鋼管外端固定在緊挨迎頭的棚架上，掘進(jìn)后另一端至少1m留在工作面巖體內(nèi)部，于是在掘進(jìn)過程中形成一個(gè)鋼管帷幕作為臨時(shí)支護(hù)的安全作業(yè)區(qū)，確保迎頭工作面至棚架之間掘進(jìn)施工人員及機(jī)械的安全。

（3）考慮到掘進(jìn)、支護(hù)過程中存在活矸冒落危險(xiǎn)，且底板也不穩(wěn)定，有隨時(shí)冒落的威脅，故考慮先進(jìn)行預(yù)注漿或后注漿，將圍巖穩(wěn)固粘接，既保障超前打孔易于操作，又使頂板矸石不易掉落、底板棚腿架設(shè)穩(wěn)定不易傾倒。

綜合以上分析，設(shè)計(jì)采用“預(yù)注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”和“人工假頂+架棚+后注漿”兩種施工工藝對(duì)比，確定合適的穿過冒落區(qū)。

(1)“預(yù)注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案

①預(yù)注漿超前加固

采用向采空區(qū)預(yù)注漿對(duì)兩幫及頂部進(jìn)行超前加固防止掉頂，脫落。在沿巷道輪廓線往外50mm、與幫夾角3°，從底板向上1m、2.5m位置各布置1個(gè)注漿孔，注漿孔仰角為40°左右。頂板中心位置布置一孔，注漿孔孔徑Φ=42mm，孔深 4～6m，孔距2.5～3m，封孔深度1m。

施工順序：打眼→安裝封孔器→連接注射管和注射花管→連接設(shè)備（供風(fēng)管路和注漿管路）→注漿→清洗設(shè)備。如圖2所示。

圖2 注漿流程示意圖

②鋼管帷幕超前支護(hù)

為防止通過采空區(qū)期間巷道上方的大塊巖石掉落，掘進(jìn)巷道時(shí)布置鋼管帷幕進(jìn)行超前支護(hù)，確保工人作業(yè)范圍的安全，如圖3、圖4所示。掘進(jìn)前，利用YT-28型風(fēng)鉆，沿巷道半圓拱輪廓線往外50mm的位置打眼，拱部孔距300mm，直墻部500mm，直徑50mm，長(zhǎng)3000mm，施工數(shù)量33個(gè)。鉆孔完畢后，將直徑42mm、長(zhǎng)3000mm的鋼管插入鉆孔，限位固定牢靠并接頂后開始掘進(jìn)。采用綜掘方式分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)作業(yè)，短掘短支，循環(huán)步距700mm，并及時(shí)進(jìn)行初噴，對(duì)巷道表面進(jìn)行封閉處理，然后采用內(nèi)阻式單體支柱及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，確保架棚期間的安全可靠。掘進(jìn)至帷幕下方剩余1m時(shí)，在兩孔300mm中間繼續(xù)打孔，進(jìn)行下一循環(huán)超前帷幕施工，直至通過采空區(qū)。

圖3 鋼管帷幕超前支護(hù)立面示意圖（單位：mm）

圖4 鋼管帷幕超前支護(hù)平面示意圖（單位：mm）

③U型鋼棚永久支護(hù)

為確保該段巷道既滿足設(shè)計(jì)要求，巷道斷面為直墻半圓拱形，掘?qū)?215mm、掘高4050mm（靠鋼管帷幕控制），架棚支護(hù)噴漿后凈寬4800mm、凈高3700mm、鋪底100mm。U29型鋼棚棚距為700mm（中-中），迎山角1°，采用水泥背板（長(zhǎng)1000mm×寬150mm×厚80mm）與實(shí)頂、實(shí)幫背實(shí)背嚴(yán)，背板花背布置，如圖4所示。為使圍巖形成一個(gè)整體，鞏固U型鋼棚支護(hù)質(zhì)量，通過采空區(qū)后在該段巷道打孔進(jìn)行壁后注漿充填、底板注漿，壁后注漿孔在巷道頂板、背板中間施工，底板注漿孔在棚腿及巷道中部施工。注漿鉆孔直徑42mm，淺孔1m、深孔1.5m，交叉布置，排距1400mm，注漿時(shí)以漿液外流為止。

圖5 U型鋼棚永久支護(hù)斷圖（單位：mm）

(2)“人工假頂+工字鋼棚+后注漿”聯(lián)合支護(hù)方案

①人工假頂

首先預(yù)計(jì)過采空區(qū)前5m將拱形巷道變成矩形巷道，提前采用錨索吊工字鋼棚支護(hù)，采用長(zhǎng)度為8.0m、直徑為21.6mm高預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成的錨索，間排距1.0m；鋼棚采用長(zhǎng)度為4.8m工字鋼梁架設(shè)，鋼棚間距為1.8m。待伸入到采空區(qū)兩架錨索吊棚施工完畢后，及時(shí)對(duì)兩根頂梁、錨索的水平度進(jìn)行調(diào)整，確保成巷頂板水平，便于頂板支護(hù)。鋼梁調(diào)平后在其上方依次鋪設(shè)長(zhǎng)度為7.0m的18#工字鋼縱梁，縱梁與錨索吊棚、鋼梁垂直布置且采用卡纜進(jìn)行固定，縱梁間距為1.0m。為防止出現(xiàn)漏頂、偏幫，在縱向梁鋪設(shè)依次鋪設(shè)8#鉛絲、規(guī)格為6.0m×2.4m的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)與縱梁、橫梁之間采用三花綁結(jié)。

為增加緩沖力、圍巖的整體性和防止注漿時(shí)出現(xiàn)漏漿，在金屬網(wǎng)方鋪設(shè)多層、長(zhǎng)度為3.5m的半圓木垛成“#”字型接頂。首層共布設(shè)6根半圓木且與縱梁垂直布置，間距為0.6m；上一層與首層的鋪設(shè)方向垂直且成“#”型布置，依次類推直至半圓木與漏頂區(qū)勾頂，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)實(shí)接頂。所有半圓木鋪設(shè)完后，采用氣動(dòng)錨索張拉器具對(duì)錨索和鋼棚進(jìn)行進(jìn)一步加固、調(diào)整。

②工字鋼棚架設(shè)

為了進(jìn)一步提高人工假頂穩(wěn)固性，待假頂及注漿施工完后在假頂區(qū)下方架設(shè)密集矩形工字鋼棚。工字鋼棚主要由兩節(jié)棚腿、一節(jié)頂梁以及兩個(gè)棚腿底座組成，棚腿長(zhǎng)度為2.8m，頂梁長(zhǎng)度為4.0m，工字鋼棚架設(shè)間距為1.0m[1]。

為了防止倒棚事故發(fā)生，起底澆筑棚腳，確保底座安裝牢固，底座安裝后將棚腿與底座采用連接螺栓固定，每節(jié)棚腿與巷幫采用錨桿錨固。待棚腿安裝后將頂梁與兩節(jié)棚腿采用卡纜固定并進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m；為了提高鋼棚之間聯(lián)鎖保護(hù)作用，在相鄰兩架鋼棚之間采用五組拉桿進(jìn)行固定，其中棚腿各兩組成交錯(cuò)式布置，頂梁一組[2]。

所有鋼棚架設(shè)完后在鋼棚頂梁與假頂縱梁之間間隙處填塞水泥背板，確保鋼棚與假頂之間接觸嚴(yán)實(shí)。

③注漿施工

為了實(shí)現(xiàn)永久巷道的穩(wěn)定性和牢固性，研究采用注射“馬麗散+羅克休”兩種膨脹劑，采用馬麗散粘劑為了進(jìn)一步增強(qiáng)冒落區(qū)圍巖粘合度，形成穩(wěn)定的圍巖保護(hù)區(qū)，同時(shí)防止假頂區(qū)域出現(xiàn)瓦斯集聚現(xiàn)象；采用注射羅克休膨脹劑目的為提高假頂密實(shí)性，提高承載力，降低假頂內(nèi)間隙。正升礦決定首先采用馬麗散粘劑對(duì)假頂區(qū)域進(jìn)行注漿填充。巷道頂部在距冒落區(qū)前1.0m處鉆孔，注漿孔數(shù)量5個(gè)，采用垂直頂板布置，間距800mm，鉆孔直徑為42mm，深度5.0m；選用高壓注漿泵依次對(duì)稱向鉆孔內(nèi)注射馬麗散粘劑，注漿期間發(fā)現(xiàn)鉆孔附近煤體出現(xiàn)漿液滲透時(shí)立即停止注漿，并及時(shí)封孔。待圍巖注漿2h后，將由樹脂與催化劑兩種成份組成且配比4:1的羅克休膨脹劑向假頂內(nèi)間隙注入。在注射羅克休膨脹劑時(shí)施工人員應(yīng)站在上風(fēng)側(cè)，將注漿軟管從假頂側(cè)面深入高冒區(qū)頂部，注漿壓力控制在0.4～0.7MPa之間[3-4]。

3.支護(hù)方案的對(duì)比

“人工假頂+工字鋼棚+后注漿”聯(lián)合支護(hù)方案分析：掘進(jìn)巷道在高地應(yīng)力、采空冒落區(qū)中，采用剛性的工字鋼棚支護(hù)受壓長(zhǎng)出現(xiàn)變形，易出現(xiàn)冒頂偏幫等現(xiàn)象，施工難度大，安全管理困難，后期維護(hù)費(fèi)用高。優(yōu)點(diǎn)：支護(hù)巷道地點(diǎn)可以隨意變動(dòng)，快速掘進(jìn)支護(hù)成巷，滿足巷道布置緊張的狀態(tài)；缺點(diǎn)：斷面頂部易受來壓彎曲，棚腿彎折，鋼棚倒架，巷道變形嚴(yán)重，經(jīng)常造成片幫、底鼓現(xiàn)象，井巷維護(hù)大，使用危險(xiǎn)性高。支護(hù)材料消耗大，維護(hù)人員浪費(fèi)工時(shí)，礦井成本費(fèi)用提升。解決巷道應(yīng)力大的方法：改變鋼型，增加承載能力；縮短棚距，提高支護(hù)密度，連鎖棚間，提高整體受力；填充幫、頂空隙，提高支架的預(yù)緊力。一般情況下回采巷道多采用工字鋼棚進(jìn)行支護(hù)。

“預(yù)注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案分析：在永久巷道采用U型鋼棚支護(hù)能夠緩沖圍巖產(chǎn)生一定變形，釋放圍巖應(yīng)力。缺點(diǎn)：增加支架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需掘進(jìn)大斷面，滿足緩沖變形要求，施工勞動(dòng)強(qiáng)度大。如巷道礦壓較大時(shí)，U型棚實(shí)際方法：采用大工作阻力可縮支架；為巷道受壓收縮預(yù)留大斷面。

本巷道為開拓巷道，與鋼管帷幕超前支護(hù)存在活矸冒落危險(xiǎn)，且底板也不穩(wěn)定，致使棚腿不易穩(wěn)固架設(shè)，建議采用“預(yù)注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案。

4.支護(hù)效果

采用十字觀測(cè)法進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)。掘進(jìn)過程中巷道每隔5m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)站，在每個(gè)監(jiān)測(cè)站斷面的頂、底板和兩幫的中部各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，放出巷道的中腰線，觀測(cè)時(shí)用鋼卷尺測(cè)量，分別對(duì)頂?shù)准皟蓭偷木嚯x測(cè)量讀數(shù)記錄[5]，詳見圖6。觀測(cè)結(jié)果顯示巷道變形量在5～10mm左右，說明巷道圍巖穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 “人工假頂+架棚+后注漿”聯(lián)合支護(hù)永久支護(hù)示意圖（單位：mm）

5.結(jié)論

西翼膠帶大巷過采空冒落區(qū)期間，通過預(yù)注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚工藝的應(yīng)用，有效提高了巷道圍巖穩(wěn)定性，保證了支護(hù)效果、掘進(jìn)速度，減少了對(duì)礦井建設(shè)造成的影響時(shí)間，保障了礦井的安全生產(chǎn)，降低了巷道的后期維護(hù)工程量，取得了良好的效益。