山西麻家梁礦復雜條件下巷道掘進支護方案

郝　瑩

(山西宏宇誠鑄建設工程有限公司)

礦井巷道在掘進期間，由于設計不合理或出于最大限度利用煤炭資源的目的，經常出現2條同一標高巷道交叉貫通現象[1-4]。采用貫通施工方式時不僅降低了巷道掘進效率，而且影響了采區生產，對于特殊巷道(如回風巷)在交叉貫通時經常出現通風系統紊亂現象，威脅了井下通風安全[5-6]。因此，為確保巷道安全掘進，避免巷道掘進影響井下生產安全，在復雜條件下進行巷道掘進施工時，應選擇恰當的施工方案及相應的支護措施。本研究以山西麻家梁礦14402運料斜巷為研究對象，對巷道掘進施工過程中主要存在的支護技術難點進行分析，并對合理的聯合支護方案進行設計和應用。

1　工程概況

麻家梁礦位于山西省朔州市南部，井田面積104.287 7 km2，礦井設計生產能力為12 Mt/a，設計服務年限為82 a[1-2]。14106工作面位于井田一采區，工作面東部為14105工作面，南部為665 m水平大巷，分別為水平回風大巷、水平輔助運輸大巷以及水平膠帶輸送機大巷，且3條大巷位于同一水平同一標高。目前14106回風順槽已施工到位，14106運輸順槽系統巷已施工完畢。為便于14106運輸順槽后期施工期間運料及行人，根據礦方設計方案將施工1條運料繞道即14106運料斜巷(圖1)。

圖1　麻家梁礦一采區14106運料斜巷布置示意

14106運料斜巷從西輔助運輸大巷開口并以60°夾角沿煤層頂底板平行掘進，運料斜巷設計長度為86 m，巷道斷面規格為4.0 m×3.2 m(寬×高)，巷道頂底板巖性以碳質泥巖及粉砂巖為主，煤巖層相對松軟。當14106運料斜巷掘進44 m后將與水平回風大巷貫通，根據麻家梁礦地測科提供的地質資料顯示，在運料斜巷與水平回采大巷貫通點將遇到1條正斷層，斷層對兩巷貫通時煤壁及頂板穩定性的影響較大。為避免兩巷貫通后出現風流紊亂現象，本研究對14106運料斜巷采用近距離煤層過巷掘進施工工藝。該巷道掘進施工中存在的主要技術難點為：

(1)14106運料斜巷從655 m輔助運輸巷以6°俯角下山掘進，當巷道掘進49 m后進入655 m水平回風巷下方，此時兩巷層間距為1.7 m，礦方提供的地質資料顯示兩巷之間的煤巖夾層巖性以碳質泥巖為主，該巖層不穩定，易破碎，在巷道施工過程中無法預留。麻家梁礦掘進巷道頂板普遍采用錨桿、錨索聯合支護方案[7-9]，錨桿長度為2.5 m，錨索長度為5.3 m，可見在過巷期間傳統的錨桿、錨索支護方案無法實施。

(2)14106運料斜巷過巷后以8°仰角繼續掘進，當巷道掘進37 m后與14106運輸順槽貫通，由于運料斜巷在貫通時與14106運輸順槽成30°夾角，受采動壓力影響，在貫通口處14106運料斜巷與運輸順槽之間的三角煤柱無法預留，三角煤柱出現垮落現象，垮落長度達3.5 m，最寬處達3.3 m，造成貫通處頂板空頂面積達4.6 m2，極易發生頂板垮落事故，傳統的護幫支護工藝對三角煤柱的維護效果很不理想。

2　巷道掘進支護方案

2.1　過巷前支護

為提高過巷段施工巷道頂板的穩定性，在14106運料斜巷過巷前，在水平回風巷設計位置進行起底、鋪設鋼梁并澆筑施工人工復合頂板進行支護。當14106運料斜巷施工至距水平回風巷邊界煤柱5 m處時，巷道停止掘進，并在水平回風巷指定位置進行起底，施工基礎坑，起底位置位于14106運料斜巷正上方，具體位置以麻家梁礦地測科給定的信息為準。水平回風巷起底長度為5.5 m，起底寬度為巷寬即4.0 m，起底深度為1.7 m，起底到位后必須確保基礎坑地面平整(圖2)。巷道起底后在基礎坑內依次鋪設金屬網、11#工字鋼梁，鋼梁沿水平回風巷走向布置，鋼梁長度為5.5 m，鋼梁鋪設間距為0.2 m，起底處共鋪設20根鋼梁。當工字鋼梁鋪設完畢后對基礎坑進行澆筑，澆筑時采用強度為C25型混凝土，水泥、砂子、石子配比為1∶2∶2，在澆筑時必須采用振動泵對其進行攪拌。為確保整個澆筑面凝固后更加牢固可靠，當起底處混凝土的澆筑厚度達到0.2 m后對基礎坑預埋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.0 m，每排施工3根，共施工3排，錨桿間距為1.5 m，排距為2.0 m(圖2)。錨桿埋設后繼續進行混凝土澆筑直至與水平回風巷底板齊平，當整個基礎坑澆筑后所有預留錨桿外露長度為0.2 m，在水平回風巷兩幫進行掏槽，掏槽后鋪設固定鋼梁，固定鋼梁與水平回風巷垂直布置，固定鋼梁長度為4.5 m，共鋪設3根，每根固定鋼梁焊有3個圓孔，孔徑為25 mm，固定鋼梁鋪設后與預留錨桿采用螺母進行預緊，預緊力不宜小于200 N·m。

2.2　過巷期間支護

為進一步提高過巷期間施工巷道頂板的穩定性，14106運料斜巷在過巷期間，采用架設密集工字鋼棚進行頂板維護。當14106運料斜巷掘進至距水平回風巷邊界煤柱3 m處時，開始架設密集工字鋼棚，鋼棚間距為1.0 m，直至施工巷道完全過巷3.0 m后停止架設鋼棚，巷道內共架設10架工字鋼棚。工字鋼棚主要由棚腿、頂梁以及鋼棚底座組成，每根棚腿由2節U29型鋼梁組成，且能上下拉伸，最大拉伸長度為4.0 m，頂梁主要由長為3.8 m的11#槽鋼制成。由于14106運料斜巷過巷期間底板巖性以泥巖及煤層混合巖層為主，底板相對松軟，為確保工字鋼棚架設穩定，在架棚前需對棚腿位置進行起底，起底規格為0.4 m×0.2 m(寬×深)，起底后應及時將棚腿埋入并采用混凝土澆筑。底座澆筑穩固后開始安裝棚腿，棚腿與底座之間采用固定銷進行連接，棚腿與棚腿之間對接后采用卡纜固定。鋼棚棚腿安裝后將11#槽鋼頂梁與棚腿頂端卡槽進行對接，并采用抱箍固定，頂梁安裝后確保頂梁與人工復合頂板之間預留0.1 m間隙。第1架鋼棚架設完畢后依次架設第2架、第3架，且施工工藝相同。為確保鋼棚能夠全斷面支護頂板，待所有鋼棚架設完畢后在相鄰3架鋼棚頂梁之間交錯安裝4根11#工字鋼縱梁，且垂直于頂梁布置，縱梁長度為2.5 m，縱梁安裝后確保與頂板接觸嚴實。為保證鋼棚架設穩固，提高鋼棚聯鎖保護作用，在相鄰2架鋼棚之間采用2組拉桿進行固定，并且對每1架鋼棚棚腿采用U型鉤與巷幫進行固定。

2.3　貫通口處三角煤柱預留措施

本研究采用人工支盒澆筑方法預留巷道貫通口處的三角煤柱[10-12]。當14106運料斜巷與14106運輸順槽貫通后，在三角煤柱垮落區支設9根長度為3.2 m(巷高)、直徑為300 mm的圓木柱，最寬處支設3根木柱，最窄處支設1根木柱，木柱支設成三角形狀，相鄰2根木柱間距為1.0 m。為確保人工預留三角煤柱能與實體煤柱形成整體，最寬處木柱支設完畢后，對實煤體施工2排錨桿，每排施工3根，錨桿間排距為1.0 m×1.2 m，第1排錨桿施工于距頂板1.0 m處(圖3)。所有木柱支設完畢后，采用木板進行人工支盒子，木板長度為3.5 m，寬度為0.3 m，當盒子高度達到1.0 m時，應及時進行混凝土澆筑，澆筑到位后繼續支設盒子，依此類推，直至與巷道頂板澆筑嚴實。澆筑混凝土由水泥(325#普硅水泥)、砂子、石子按1∶2∶2配比制成，澆筑后的混凝土強度不宜低于C20，在澆筑期間須用振動泵進行震動嚴實。

圖3　14106運料斜巷貫通口處人工預留三角煤柱示意(單位：mm)

3　支護效果

(1)14106運料斜巷在過巷掘進期間通過采用起底、澆筑施工人工復合頂板以及架設鋼棚的支護方案有效保證了巷道安全快速施工，通過現場施工發現，該施工工藝簡單，整個工序僅用1.5 d即可完成，同時與傳統巷道直接貫通后施工風橋相比，該方案有效降低了支護費用，預計可節約成本達12萬元。

(2)14106運料斜巷施工完畢后分別在巷道過巷段前后2 m位置各安裝了1臺Y-23型數字顯示頂板離層儀對過巷段圍巖變形情況進行觀察，通過1個月觀察數據統計分析發現，施工人工復合頂板及架棚后，過巷段附近頂板巖層未出現變形、破碎現象。

(3)在巷道貫通口處人工預留三角煤柱后，阻止了三角煤柱垮落面積進一步擴大，通過對貫通口處離層儀的監測數據進行分析發現，貫通口處頂板最大下沉量為50 mm且穩定后不變，頂板往上10 m范圍內未出現離層、破碎現象，人工預留三角煤柱后有效避免了因三角煤柱垮落致使頂板空頂面積大、頂板壓力集中而造成貫通口處頂板破碎、變形、冒頂事故的發生。

4　結　語

以麻家梁礦14106運料斜巷為例，分析了該巷道在近距離煤層過巷期間以及巷道貫通時存在的主要技術難點，根據礦井實際條件設計了合理的支護方案。實踐表明，該方案有效保障了近距離煤層巷道掘進施工安全，通過在巷道貫通口人工預留三角煤柱，提高了巷道整體穩定性。

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