上覆村莊巷道掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

武傳偉

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

我國煤炭資源分布廣泛，村莊建筑物下方壓煤的情況也較為普遍，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國村莊壓煤量高達(dá)52.21億t[1-2]。從地域上看，中、東部地區(qū)由于人口密度較大，村莊壓煤現(xiàn)象最為嚴(yán)重。煤炭的開采可誘發(fā)地表沉降，對村莊建筑物、道路、農(nóng)田等設(shè)施造成破壞，影響村莊的生態(tài)環(huán)境和人民的生活質(zhì)量[3-4]。合理有效的設(shè)計巷道掘進(jìn)及支護(hù)方法，可改善地表沉降問題，保護(hù)村莊建筑物的安全[5]。因此，研究上覆村莊巷道掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)具有極為重要的工程價值。

1 工程概況

濟(jì)寧三號煤礦礦井內(nèi)二采區(qū)23上03工作面位于采區(qū)西北部，為二采區(qū)3上煤層的首采工作面該工作面西側(cè)有FB22斷層。23上03輔助巷道主要服務(wù)于本工作面開采期間的運輸、通風(fēng)、行人等，輔助巷道地表為李二莊，李二莊人口、建筑物密集?；谝陨显颍疚尼槍?3上03輔助巷道掘進(jìn)及施工技術(shù)進(jìn)行研究，以期避免23上03輔助巷道掘進(jìn)施工引起較大地面沉降，保護(hù)上覆村莊建筑物及生態(tài)環(huán)境，此外，還對掘進(jìn)期間的沖擊地壓監(jiān)測和防治技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計。

2 掘進(jìn)技術(shù)及工藝

2.1 巷道斷面設(shè)計

巷道斷面形狀及尺寸是影響地表沉降量的重要參數(shù)，若斷面尺寸過大，則地表沉降量也隨之增大，影響地表建筑物的安全。若斷面尺寸過小，則不能滿足巷道所擔(dān)負(fù)的運輸、通風(fēng)、供水、供電等任務(wù)，因此，需根據(jù)實際地質(zhì)情況對巷道的斷面形狀和尺寸進(jìn)行合理的設(shè)計，在保證巷道服務(wù)能力的同時，盡可能的減小巷道開挖所引起的沉降。基于以上原則，本文設(shè)計的23上03輔助巷道的斷面參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 巷道斷面參數(shù)表

2.2 巷道掘進(jìn)截割工藝

鑒于23上03輔助巷道頂?shù)装鍘r性較好，且斷面尺寸設(shè)計不大，為提高掘進(jìn)速度，設(shè)計采用綜合掘進(jìn)機截割“一次成巷，分次截割”的掘進(jìn)工藝。巷道掘進(jìn)的施工順序為：首先開挖23上03第一切眼導(dǎo)硐，待導(dǎo)硐施作完成后，掘進(jìn)機向右側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)行輔助巷道的開門施工。開門施工17 m左右時，拆除刮板輸送機，形成“綜掘機+皮帶出煤機”的掘進(jìn)系統(tǒng)，掘進(jìn)期間巷道的設(shè)備布置如圖1（a）所示。掘進(jìn)機截割方式如圖1（b）所示，巷道斷面分兩次截割，首先在截割前標(biāo)定出巷道輪廓線，并對上個截割循環(huán)的尺寸和平整度進(jìn)行檢查。確認(rèn)無誤后，開始截割本循環(huán)，掘進(jìn)機進(jìn)刀位置位于巷道左下部，沿著標(biāo)定的截割線按逆時針方向先截割出巷道左側(cè)斷面。其后，采用同樣的方式由下至上、由左至右截割出巷道右側(cè)斷面。需要注意的是，截割過程中需盡量保證巷道斷面的平整度，避免出現(xiàn)過割的現(xiàn)象。本文設(shè)計的在23上03輔助巷道采用“一次成巷，分次截割”的掘進(jìn)工藝，一方面保證了巷道的掘進(jìn)效率，另一方面又可控制巷道圍巖變形量及地面沉降量，保證了作業(yè)安全，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 掘進(jìn)工作面截割順序及設(shè)備布置

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計及效果評價

3.1 臨時支護(hù)設(shè)計

迎頭截割完成后，需對23上03輔助巷道頂板及兩幫進(jìn)行臨時支護(hù)，為保證臨時支護(hù)效果，控制圍巖初期位移，為作業(yè)人員提供安全的工作空間，設(shè)計采用ZLJ-10型機載式前探梁進(jìn)行臨時支護(hù)。機載式前探梁共包含支護(hù)結(jié)構(gòu)、伸縮架、回轉(zhuǎn)架和護(hù)頂梁四部分。臨時支護(hù)的工序流程如圖2所示，當(dāng)掘進(jìn)機截割完成后，將其退回至合適位置，使用專用測量工具檢查掘進(jìn)頭有無傘檐現(xiàn)象，同時進(jìn)行敲幫問頂，對較為松散的危巖進(jìn)行處理。其后，進(jìn)行第一片菱形網(wǎng)的綁扎和聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)結(jié)束后升起機載式前探梁，升起過程中，需一人操作，一人監(jiān)護(hù)，確保頂梁居于巷道中部。頂板臨時支護(hù)操作完成后，采用同樣的方法對巷道進(jìn)行敲幫問頂，去除危巖，在幫部安裝第二片菱形網(wǎng)，并采用幫部插桿將幫部菱形網(wǎng)與頂部菱形網(wǎng)聯(lián)結(jié)。

圖2 臨時支護(hù)流程圖

3.2 永久支護(hù)設(shè)計

如上文所述，由于23上03輔助巷道位于村莊下方，為控制該段巷道的圍巖位移量，保證村莊的地面沉降量在可控范圍內(nèi)。設(shè)計在23上03輔助巷道采用錨網(wǎng)（索）帶聯(lián)合支護(hù)的永久支護(hù)方式，支護(hù)示意圖如圖3所示。具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖3 23上03輔助巷道永久支護(hù)示意圖

頂板采用φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，設(shè)計錨固力不小于160 kN，預(yù)緊力矩不小于300 N·m，間排拒800 mm×900 mm。頂板錨索采用φ22 mm×4 500 mm的礦用錨索，錨索錨固力不小于240 kN，布置在2排鋼帶的中部。兩幫采用φ20 mm×1 250 mm的全螺紋鋼錨桿，設(shè)計錨固力不小于130 kN，預(yù)緊力矩不小于260 N·m，間排拒1 200 mm×900 mm。錨桿、錨索托盤均采用碟形高強度托盤，每根錨桿（索）采用2卷CKb2370型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。頂部采用孔間距為800 mm的T型鋼帶，鋼帶長度4 870 mm，金屬網(wǎng)采用菱形規(guī)格，由8號鍍鋅鐵絲編制而成。

3.3 掘進(jìn)及支護(hù)效果評價

為評價23上03輔助巷道的掘進(jìn)和支護(hù)效果，掌握地表移動變形規(guī)律，在巷道上方地表每隔80 m設(shè)置1個地表位移觀測站，共設(shè)置3個觀測站，對地表變形量進(jìn)行采集記錄。觀測方法為工作面推進(jìn)10 m后便開始日常測量，確定地表變形程度，若發(fā)現(xiàn)地表變形速度較快，應(yīng)增加觀測次數(shù)。觀測結(jié)果如圖4所示。

圖4 地表位移沉降結(jié)果

由圖4可知，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)地表沉降量逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m后，地表沉降量逐漸趨于穩(wěn)定。觀測站1的最大沉降量約為26 mm，觀測站2的最大沉降量約為27.5 mm，觀測站3的最大沉降量約為28 mm。3個觀測站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范圍內(nèi)。可見，在23上03輔助巷道采用的“一次成巷，分次截割”及“機載式前探梁臨時支護(hù)結(jié)合錨網(wǎng)（索）帶永久支護(hù)”的掘進(jìn)和支護(hù)工藝，可有效控制圍巖及地表位移量，減小井下開采對地表的影響，保護(hù)地表村莊建筑物及生態(tài)環(huán)境不受開采破壞。

4 沖擊地壓防治

4.1 沖擊地壓監(jiān)測方案

23上03輔助巷道掘進(jìn)期間，所受地應(yīng)力較大，因此，本文設(shè)計采用區(qū)域性微震監(jiān)測與局部監(jiān)測相結(jié)合的方法進(jìn)行沖擊地壓危險性的監(jiān)測和分析。微震監(jiān)測系統(tǒng)主要對震動事件進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測范圍為巷道迎頭半徑200 m內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測到有能量達(dá)到或接近10 000 J的震動時間時，說明工作面具有沖擊危險。微震監(jiān)測系統(tǒng)，共布置4個拾震器，拾震器分布情況如表2所示：

表2 23上03輔助巷道拾震器分布情況表

局部監(jiān)測方法包括鉆屑法監(jiān)測和應(yīng)力在線監(jiān)測，鉆屑法監(jiān)測是通過計量鉆孔每鉆進(jìn)1 m所產(chǎn)生的鉆屑量，來分析發(fā)生沖擊地壓的危險性。鉆屑法監(jiān)測采用MQTB～70/1.7風(fēng)動支腿式幫錨桿鉆機施工，配合φ38 mm×1 500 mm組合鉆桿，鉆孔φ42 mm，鉆孔深度為10 m。弱沖擊危險區(qū)域每掘進(jìn)20～30 m監(jiān)測1次，無沖擊危險區(qū)每掘進(jìn)30～50 m監(jiān)測1次。當(dāng)掘進(jìn)期間煤爆異常、礦壓顯現(xiàn)明顯時,應(yīng)縮小檢測距離，加大檢測頻次。鉆屑法測孔布置在巷道迎頭及兩幫，一次施工3個鉆屑孔，迎頭及兩幫各布置1個鉆屑孔，孔間距≤20 m。迎頭鉆孔布置在中部，鉆屑孔距底板0.5～1.5 m，垂直煤壁施工(避免鉆入巖石)。鉆屑孔施工期間見巖石時即可停止鉆進(jìn)，但必須在臨近該檢測孔周圍0.5 m范圍內(nèi)施工驗證孔進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，驗證后在鉆孔附近吊掛驗證孔牌板，并注明驗證孔深度。

采用應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)對沖擊危險區(qū)域迎頭后200 m范圍內(nèi)煤體應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測鉆孔應(yīng)力計布置在23上03輔助巷道東幫，1組2個，間距1～1.5 m，深度分別為6 m（北）、10 m（南），距煤層底板0.5～1.5 m，施工鉆孔時如遇巖石則停止鉆進(jìn)，鉆孔深度～6 m時安裝應(yīng)力計。每組應(yīng)力計間隔不大于25 m，滯后迎頭距離≤25 m。應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)鉆孔采用MQTB-70/1.7風(fēng)動支腿式幫錨桿鉆機施工，配合φ42 mm鉆頭、φ38 mm×1 500 mm組合鉆桿施工。鉆孔應(yīng)力計的壓力枕由包裹體焊接而成的，壓力枕必須平行于底板，安裝應(yīng)力計必須使用專用安裝桿，采顯一體儀安裝與電纜接通工作應(yīng)由防沖專業(yè)人員完成，注油壓力≥5 MPa。監(jiān)測系統(tǒng)電纜敷設(shè)在人行側(cè)幫部，每次挪移探頭時，應(yīng)力在線分站固定在卸料臺內(nèi)側(cè)隨機尾前移，應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)見表3。

表3 23上03輔助巷道應(yīng)力在線預(yù)警臨界值指標(biāo)表

當(dāng)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的顏色指示全為綠色時，說明所有測點應(yīng)力大小均小于預(yù)警值，無沖擊地壓危險；當(dāng)有一組黃色監(jiān)測警示時，需結(jié)合應(yīng)力增幅進(jìn)行判斷，若應(yīng)力增幅3天內(nèi)無明顯增加，且鉆屑法檢測正常，可判定無沖擊危險。當(dāng)有一組黃色監(jiān)測警示，且應(yīng)力增幅明顯，則具有沖擊地壓危險。同時，出現(xiàn)兩組黃色監(jiān)測警示或一組紅色警示也說明具有沖擊地壓危險，需立即停產(chǎn)，撤離工作人員，直至沖擊危險消除，方可恢復(fù)生產(chǎn)

4.2 防治措施

根據(jù)23上03輔助巷道的實際地質(zhì)情況，設(shè)計采用大直徑鉆孔卸壓和底煤卸壓2種方法來預(yù)防沖擊地壓危害。

1）大直徑鉆孔卸壓方法?？稍诓皇軟_擊威脅的區(qū)域施鉆卸壓孔，頂部卸壓鉆孔直徑110 mm，距巷道底板約1.0～1.5 m，孔深15 m，巷道每掘進(jìn)7 m，進(jìn)行下一輪鉆孔。幫部卸壓鉆孔間距6 m，孔徑110 mm，鉆孔距巷道底板約1.0～1.5 m，孔深不小于8 m（如鉆孔施工至斷層巖石,則停止施工）。

2）底煤卸壓。底煤卸壓方法主要包括：①根據(jù)地質(zhì)預(yù)報及時調(diào)整掘進(jìn)層位，盡量沿頂板掘進(jìn)，不留底煤；②根據(jù)巷道剖面圖，在斷層附近或穿層區(qū)域?qū)Φ酌簠^(qū)域進(jìn)行探煤厚工作，確定煤厚超過1 m的留底煤區(qū)域，探煤厚鉆孔間距3 m，雙排布置，鉆孔施工在巷道人行側(cè)底板距幫1～1.5 m處，垂直向下，每個探煤孔探煤厚度必須由專人記錄；③根據(jù)探煤厚結(jié)果，當(dāng)留底煤厚度大于1 m時，必須進(jìn)行底煤卸壓爆破處理，爆破鉆孔施工位置在兩幫底角處，斜向下30°鉆孔，孔間距為3 m，鉆孔施工至巖石即停止，鉆孔滯后迎頭不超過50 m。

卸壓措施施工后，應(yīng)當(dāng)采用以鉆屑法檢測為主，并配合微震監(jiān)測、應(yīng)力在線監(jiān)測等方法進(jìn)行綜合對比來檢驗卸壓效果，經(jīng)效果檢驗，綜合判定無沖擊危險時，掘進(jìn)工作面可繼續(xù)作業(yè)。

5 結(jié)論

1）基于23上03輔助巷道上覆村莊的工程背景，對輔助巷道斷面形狀及尺寸進(jìn)行設(shè)計，并提出采用“一次成巷，分次截割”的掘進(jìn)工藝，既提高了巷道的掘進(jìn)效率，又可控制巷道圍巖變形量及地面沉降量。

2）提出在23上03輔助巷道采用“ZLJ-10型機載式前探梁臨時支護(hù)結(jié)合錨網(wǎng)（索）帶永久支護(hù)”的支護(hù)方案，并闡述了臨時支護(hù)工藝流程和永久支護(hù)參數(shù)；在地表共設(shè)置3個觀測站，來評價輔助巷道的掘進(jìn)和支護(hù)效果，并掌握地表移動變形規(guī)律，觀測結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)期間3個觀測站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范圍內(nèi)。

3）設(shè)計采用區(qū)域性微震監(jiān)測與局部監(jiān)測相結(jié)合的方法，進(jìn)行23上03輔助巷道沖擊礦壓危險性的監(jiān)測和分析，給出了對監(jiān)測方案和監(jiān)測參數(shù)，并提出采用大直徑鉆孔卸壓和底煤卸壓2種方法來預(yù)防沖擊地壓危害。