機頭硐室擴刷分析及圍巖控制技術

王潞潞

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212）

在我國生產礦井機械化開采程度不斷加速的當下，開采深度逐漸向深部資源擴進。同時，機電運輸設備也在向大型化、自動化的方向開發。而位于開采煤層底部的膠帶輸送機機頭硐室，因巷道兩側的采動頻繁，導致硐室所受圍巖應力出現不規律的增大現象，必須經過合理的錨(索)網噴支護設計，才能對圍巖變形起到有效的抑制作用[1-2]。

1 機頭硐室地質工程條件

沁裕煤礦位于晉城市沁水縣。目前開采2號煤層，見圖1，根據鉆探數據顯示，煤層底板以砂質泥巖、粉砂巖為主，由植物碎屑腐爛變質形成，天然抗壓強度為8.0～10.5MPa，平均為9.0MPa，并且吸水率較高，達到5.16%。因此在資源開采過程中受地下水的侵入，會造成巖石軟化的現象，引起“底鼓”現象。

圖1 地質柱狀圖

2號煤層膠帶機頭硐室在2煤煤倉上部西北方向，開口位置在2 號煤倉上口+710 水平，隨著開采深度的推進，將對礦井整合后新開拓巷道——2號煤膠帶機頭硐室進行擴刷工程的施工[3]。

2 擴刷施工

沁裕煤礦為了滿足產能要求及生產的順利銜接，設計對2 號煤膠帶機頭硐室進行長度總計66m 的擴刷。施工分三步進行：前22m 初期按方位角332°進行擴刷；之后將坡度調整為-3°，施工11m；最后更改為矩形斷面施工33m后進入2煤倉膠帶大巷。

2.1 施工工藝

沁裕煤礦2 號煤膠帶機頭硐室采用EBZ160 型掘進機進行擴刷施工掘進，箕斗排矸，保證巷道規格達到設計要求。采用掘錨分層作業、掘噴平行施工的方案進行。

掘進機截割頭由巷道上部進刀，截割速度0.8m/刀，通過在巷道內的弧形擺動截割，對周邊預留0.25m 左右的煤（巖）。往復作業直至硐室初步成型后，對周邊進行修復。

在對煤層進行截割時，先用掘進機割上部煤，高度2.5m，割出循環進度后，完成頂部錨桿、錨索、幫部上部一根錨桿支護。用掘進機割下部煤，完成幫部錨桿支護。以此方法循環截割[4]。

2.2 施工準備

在進行擴刷工程之前，施工人員和管理人員需對設計圖紙和作業規程進行認真的學習審閱，并組織測量人員對各接點做好復測、復查工作。當現場滿足“四通一平”的基本條件后，施工單位可根據施工需要，充分利用施工點附近設置的臨時配電室及壓風機房、材料庫房、砂石料場、安裝照明、通訊、信號等設施進行施工準備。

2.3 施工流程

在進行擴刷時，需要對巷道兩幫進行敲幫問頂和安全檢查工作，具體流程如下：工程質量檢查→斷面輪廓線→割上半部（出煤、備料）→退機→臨時支護→打頂錨桿（錨索）→拉線檢查→割下半部（刷幫、清底）→檢查斷面尺寸→打幫錨桿→驗收合格→進行下一個循環。

3 硐室礦壓監測及支護

3.1 硐室擴刷變形分析

沁裕礦膠帶大巷機頭硐室在擴刷過程中，巷道斷面會出現不規則的變形：巷道兩幫收緊，頂板下沉，底板出現鼓起甚至是裂縫。更嚴重的是局部地段甚至有垮冒的風險。分析認為，造成沁裕礦膠帶大巷機頭硐室礦壓增大的原因主要有以下三點：

（1）硐室擴刷會造成斷面面積的增大，巷道圍巖應力會快速釋放從而造成圍巖變形。巷道斷面的擴刷會改變固有應力的分布，導致應力系數增加。當應力集中水平持續增高時，會對巷道圍巖產生明顯破壞。

（2）巷道兩幫易受采動影響，造成局部擠壓。掘進機在進行截割作業時，巷道壓力會向兩幫擠壓造成變形，導致巷道兩幫劇烈收斂，而收斂后的兩幫對頂板的承載能力將發生降低，頂板的沉降進一步加速。

（3）巷道支護和維護的難度增大。硐室擴刷將造成巷道支護和維護的困難增大，部分區域只用錨桿、錨網進行支護，而如果錨桿索間排距不標準便會導致錨固承載結構不穩定，繼而無法與圍巖共同抵抗上部巖體的載荷，造成巷道變形。

3.2 巷道支護

根據對巷道變形規律的分析，2號煤層膠帶機頭硐室的擴刷工程對錨桿索長度、間排距以及預緊力的要求較高，普通支護方案難以形成有效支護。因此對采用錨網索噴支護，鋪地及基礎混凝土強度為C30，預留孔二次澆灌混凝土強度為C40。

錨桿施工方面：選用MYT-130鉆機兩臺，錨桿長18m/根、錨索3.2m/根，以小于75°為標準進行施工。從而確保錨桿可以錨固在彈性區的穩定巖體內，阻止裂隙進一步向巷道深部發育。

混凝土施工方面：錨桿鉆進及應力集中壓迫時，圍巖標體會出現不規則的裂隙，為了防止圍巖風化或受潮，需要及時對巷道表面進行混凝土噴層處理。噴層可以增加圍巖強度，使應力集中區域均勻分布，并結合錨桿支護可以間接地對巷道抗彎曲和變形的能力起到補強作用。初步設計噴射混凝土強度為C30，保證激光指向儀指向正確，無中線不準割煤。

3.3 砼底板施工方法

在對2號煤膠帶機頭硐室進行鋪底施工時，在施工巷道成型后，在巷道施工完成后采用一次性由里到外的方式進行鋪底。具體步驟如下：首先，需按照設計坡度進行放線支模，水溝使用槽鋼支模，模板在支設過程中保持平穩，避免偏斜、漏漿的情況出現；其次，采用人工進行攤鋪砼，路拱成型后用鐵鍬反扣進行整平，防止混凝土拌合物離析；再次，進行混凝土的攪拌工作，用機械方式分層振搗，在此過程中保持均勻；然后，再用2.2kW 的平板振搗器縱橫交錯全面振搗，重疊100～200mm，然后用振動梁振動拖平并進行找平；最后，砼澆筑完成后，沿橫坡方向拉毛，深度為1～2mm，在砼強度未超過40%以前不可踩踏。

4 安全管理措施

4.1 掘進機啟動、停止的相關規定

掘進機的啟動：啟動機組時，必須由機組司機進行操作，按下啟動按鈕后，機組發出3～5s 的預警鈴聲信號，同時機組前后方照明燈亮起。然后根據需求依次啟動轉載、油泵、截割頭進行運轉。在此期間，機組司機必須確認機組前后及兩側機組擺動范圍內沒有人員的情況下方可進行啟動。如發現異常情況，必須及時停止啟動，閉鎖電源。

掘進機的止停：機組的停機閉鎖鍵共3 個，分別位于機組左側油系電機旁尾部后支撐平臺上，機組轉載機尾架上，當機組運行過程中，發現異常情況可以立即閉鎖就近范圍內的閉鎖鍵，停機閉鎖后進行處理。

4.2 轉載機啟動、停止的相關規定

轉載機啟動前，要觀察轉載周圍是否有人員站位不當，轉載膠帶機應確保完好，托輥齊全，轉載機的膠帶和接口無破裂，膠帶松緊程度適當，發現問題及時處理。轉載機啟動后，要先進行空轉，確保轉載機不存在跑偏、磨帶等現象。在轉載機操作停止后，將轉載開空后按順序進行停機并閉鎖，炮頭上好護罩。

4.3 皮帶運輸機啟動、停止的相關規定

皮帶運輸機啟動前：聽清信號后，先點動皮帶，再開啟皮帶。司機站位正確，做到眼不離機頭、手不離開關。皮帶運輸機啟動后：觀察運轉情況，注意皮帶運行狀況，發現跑偏、憋煤等要及時停機處理。發現雜物、鐵器以及塊徑為300mm的矸塊時，停機撿出處理。根據煤的濕潤情況開機開水(噴霧)，停機必須停水(噴霧)皮帶運輸機停機：皮帶開空后，將開關停電并閉鎖。皮帶機頭、固定架以及上一部設備機尾浮煤、雜物要及時清理干凈，達文明生產標準。

4.4 其他工序的安全操作

在硐室擴刷施工交接班時，要嚴格按照交接班制度進行作業，由班組長負責安全檢查工作，保證工作面不留安全隱患。在進行敲幫問頂工作時須安排經驗豐富的工作人員進行操作，并對錨桿錨索布置及相關參數進行校驗。

5 結束語

針對沁裕礦運輸機機頭硐室擴刷的施工，根據圍巖受壓的特征，對巷道圍巖頂底板及兩幫失穩破壞的原因進行了理論分析。最終提出錨網噴聯合支護的技術，輔助以混凝土噴層，通過相應的安全技術措施的提出，為硐室的擴刷全過程提供了安全保障。