特厚煤層復雜條件下煤巷安全快速掘進技術與實踐

王 濤，張乾龍，李 根

(皖北煤電集團公司崔木煤礦，陜西寶雞 721000)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭開采技術的不斷進步，巷道的設計斷面在不斷地加大，開采深度以及強度在不斷增加，沖擊地壓也在不斷顯現，這就不可避免地對巷道掘進帶來了施工難度以及安全隱患。崔木煤礦目前開采至22盤區，回采巷道均布置在煤層中，煤體的單軸抗壓強度僅為11．5 MPa，圍巖條件屬于工程軟巖。現場施工過程中，由于巷道圍巖應力的增加，巷道開挖后，圍巖應力重新分布，受沖擊地壓影響，局部高能量釋放的同時，巷道頂板松散的煤體易發生冒落，增加了支護過程中的難度以及危險性，嚴重影響巷道的施工質量以及進度。文中主要針對崔木煤礦22303風巷沿空掘進過程中的復雜條件進行論述，在掘進循環中增加了大孔徑卸壓，超前護頂錨桿以及錨索二次補償支護的施工流程，實現了復雜條件下煤巷快速安全掘進。

1 巷道地質條件

22303風巷所在的煤層為侏羅系中統延安組3煤層，埋深680～780 m，最大煤厚為22．2 m，最小煤厚5 m(煤層邊界)，平均厚度16．5 m。22303風巷預留頂(底)煤掘進，當煤厚大于13 m時，留設8～12 m頂煤掘進，煤厚小于13 m時，留設0．5～1 m底煤掘進，頂板為1．6～6．4 m泥巖和中粒砂巖，呈灰白色，成分以石英、長石為主，含少量暗色礦物，分選差，次棱角狀，夾細粒砂巖薄層，裂隙較發育，含鏡煤條帶，巖性較為穩定;直接底板為炭質泥巖，質較純，有滑感，含粉砂巖塊狀層理，含植物根系化石，下部粉砂含量較高，與下伏地層明顯接觸，平均厚度3．2 m，極易風化，遇水潮解。

22303風巷為矩形斷面(掘寬×掘高)=5 200 mm×4 200 mm，錨桿規格為Ф22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，配合(長×寬×厚)=5 000 mm×180 mm×5 mm的“W”鋼帶;錨索規格為Ф21．6 mm×7 300 mm的1860鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，布置在兩排錨桿之間，配合(長×寬×厚)=3 400 mm×180 mm×5 mm的“W”鋼帶。巷道在支護的過程中，圍巖應力釋放，“煤炮”聲頻繁，淺部煤體松散、破碎，片幫、冒頂現象嚴重，巷道掘進異常困難。

2 巷道安全快速掘進技術

2．1 施工流程

巷道掘進采用EBZ-200B型綜掘機沿煤層施工，掘進前方遇破碎煤體時在開挖前施工超前護頂錨桿，再進行作業循環。施工流程如圖1所示。

圖1 作業循環流程圖

2．2 大孔徑超前卸壓鉆孔的應用

根據中煤科工集團重慶研究院對崔木煤礦22盤區3#煤層及其頂底板沖擊傾向性鑒定，崔木煤礦22盤區3#煤層具有中等沖擊危險。針對22303風巷掘進迎頭具有沖擊危險時采取的大孔徑卸壓，其目的在于通過卸壓手段，使迎頭前方煤體內因受構造應力與側向支承壓力相互疊加產生的集中彈性能有效釋放。巷道掘進迎頭采用大孔徑卸壓方法，以Ф133 mm的大孔徑鉆孔進行卸壓，其卸壓參數及施工示意圖見表1，鉆孔布置如圖2所示。

表1 掘進迎頭大孔徑卸壓參數

圖2 掘進迎頭卸壓鉆孔布置圖

根據22303風巷SOS微震監測情況可知，巷道撥門未采取卸壓措施時，30天內共監測到22303風巷有效震動事件1 303次，其中高能量(1．2E+05)沖擊事件1次;通過在煤巖體應力集中區域實施直徑133 mm的鉆孔，對巷道圍巖內的集中靜載進行卸壓，對上位頂板傳遞來的沖擊動載起到緩沖吸能的作用，同比進行監測，30天內監測到有效震動事件943次，未發生一起高能量沖擊事件，保證了掘進的安全。

2．3 超前護頂錨桿

巷道開挖后迎頭頂板及幫部煤塊受能量震動的影響，松軟、裂隙較發育的煤體易發生片幫冒落事故，導致迎頭無法及時支護，對巷道成型、施工進度以及工程質量帶來了隱患。超前護頂錨桿支護技術是在現場施工的過程中，不斷總結出的一種實用、快速預支護技術。

超前護頂錨桿即在巷道開挖前，向煤層掘進方向的煤體中預先施工錨桿群，使掘進前方無抗壓能力的煤體的內摩擦角迅速地達到一定的數值，改善被錨固煤體的力學性質，使松散的煤體形成一個具有承載能力的整體，使得開挖后前方形成一個擠壓加固梁，大大減少了冒頂的發生。

超前護頂錨桿支護參數:采用 Ф22 mm、L=2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用2支K2350錨固劑端頭錨固，配合150 mm×150 mm×10 mm高強度托盤，沿工作面頂板，距巷道頂板下300 mm距離，向前上方煤體與巷道腰線呈20°的仰角施工一排錨桿，錨桿間距為0．4 m。巷道的循環進尺為0．8 m，每掘進兩個施工循環(1 600 mm)施工一次超前護頂錨桿。超前護頂錨桿布置如圖3所示。

圖3 超前護頂錨桿布置圖

2．4 二次補償支護

基于對高地應力、大變形軟巖巷道圍巖控制原理可知，該巷道圍巖節理裂隙發育，一次支護難以保證圍巖的長期穩定性。因此，提出錨索二次補償支護技術，利用深部穩定巖體的自身承載能力，在一次支護與淺部圍巖相互作用形成一次承載圈的基礎上進行二次錨索支護，使深部穩定的圍巖與一次支護承載圈共同作用形成復合承載圈，提高圍巖的自身承載能力。

二次支護錨索參數:根據現場實際施工條件，結合圍巖地質特征，確定施工參數。巷道掘進一次支護完成，應力重新分布后，開始施工二次支護錨索，根據工程實踐一般滯后巷道迎頭10～15 m，頂板錨索為Ф21．6 mm，L=8 000 mm的1860鋼絞線(錨固點與原支護錯開)，頂板沿巷道走向布置兩排，間排距1 600 mm×2 400 mm，配合使用5 000mm×180 mm ×5 mm“W”型鋼帶梁，幫部錨索為 Ф21．6 mm，L=5 500 mm的1860鋼絞線，沿巷道走向布置兩排，間排距1 600 mm×1 600 mm，錨索布置錯開半個排距呈“三花”布置。具體參數如圖4所示。

圖4 巷道支護展開圖

3 結語

綜合實施大孔徑超前卸壓、超前護頂錨桿及二次錨索補償支護技術后，不僅保證了掘進的進度及安全，使圍巖得到有效控制，也杜絕了掘進期間頂板事故的發生。每圓班進尺由4個循環3．2 m，提升至每圓班10個循環8 m，月單進由96 m提升至240 m。在保障了作業循環有序進行和作業人員人身安全的同時，大大縮短了支護工作所用的時間，保證了生產安全;大大提高了掘進速度，對煤礦安全生產有著積極的意義，也對類似地質條件下的礦井掘進提供了借鑒。