采空區下巷道掘進支護設計應用

田王健

（晉能控股山西科學技術研究院科學技術研究有限公司，山西 太原 030006）

1 9203進風順槽及巷道掘進概況

晉能控股煤業集團舊街煤業公司9203進風順槽位于井田中部，巷道東部為9102工作面及9104工作面（已采），西部為9202工作面（已采），南部為西區回風、軌道、運輸大巷，北部為礦界。

9203進風順槽設計長度為568 m，進風順槽（西區軌道巷）開口至298 m上部為8號煤實體區，299～568 m上部為已封閉的8號煤層8201、8202工作面采空區；進風順槽與上覆采空區平均間距為4.5 m，巷道沿9號煤層底板進行掘進。9號煤層上距8號煤層平均4.69 m，局部（主井附近）與8號煤層合并；煤厚1.71～3.30 m，平均2.77 m，結構簡單，含0～2層夾矸；頂板巖性為粉砂巖-泥巖，底板為泥巖-細砂巖，如圖1所示。

圖1 9號煤層頂底板巖性柱狀圖

9203進風順槽前298 m巷道為矩形斷面，規格為寬×高=4.2 m×3.2 m，在前290 m掘進時巷道圍巖主要采用錨桿（索）聯合支護[1]，當巷道掘進至295 m

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2021.11.009處時，由于受上覆采空區影響，巷道圍巖出現破碎現象，嚴重威脅著巷道安全、快速掘進。

2 采空區下巷道掘進難題

2.1 圍巖穩定性差

9203進風順槽掘進煤層為9號煤層，穩定性差，煤層直接頂以泥巖為主，巖體單軸抗壓強度不足20 MPa，巖體承載能力低，而且9號煤層與8號煤層采空區間距小，巷道掘進至295 m處時進入采空區影響區，圍巖破壞嚴重，出現破碎現象。

2.2 集中應力影響

由于巷道掘進至295 m后進入上覆8號煤層采空區，巷道掘進時受采空區殘余應力及巷道掘進應力影響，巷道頂板出現斷裂、破碎現象，且在頂板圍巖中形成松動圈[2]。隨著巷道不斷延伸，圍巖松動圈范圍不斷擴大，破壞了頂板梁效應結構，降低了頂板承載能力。

2.3 支護難度大

巷道初步設計中巷道頂板主要采用錨桿（索）聯合支護，而錨桿（索）主要利用錨固劑錨固及托盤預應作用，實現錨桿（索）在圍巖中懸吊、組合梁（拱）作用，但是在采空區巷道掘進時由于頂板破碎嚴重，形成圍巖松動圈，致使錨桿（索）支護效果差，出現錨固失效現象，無法對不穩定圍巖起到有效的控制作用[3]。

3 巷道斷面掘進工藝優化

1）為了提高采空區巷道兩幫支撐作用力，巷道掘進至295 m后對原巷道斷面進行優化，采用梯形斷面，掘進上寬4.0 m、下寬4.6 m，掘進高度3.2 m；為了控制掘進量，巷道進入采空區下方后采用分層爆破施工，上斷面采用松動爆破施工工藝，下斷面采用一次性光面爆破施工工藝。

2）上斷面規格為上寬4.0 m、下寬4.2 m，高度1.2 m；下斷面規格為上寬4.2 m、下寬4.6 m，高度2.0 m；爆破施工時先對下斷面進行一次性光面爆破，然后對上斷面進行松動爆破。

3）下斷面共計施工24個爆破孔，其中掏槽孔4個、輔助孔8個、周邊孔12個，掏槽孔深度為1.5 m、單孔裝藥量為0.9 kg，周邊孔及輔助孔深度為1.3 m、單孔裝藥量為0.6 kg，采用毫秒延期電雷管引爆，爆破后及時清理工作面煤矸。

4）上斷面共計布置兩排支護松動爆破孔，第一排布置6個，第二排布置7個，鉆孔間距為0.65 m，相鄰兩排鉆孔間距為0.8 m；松動爆破孔深度為1.0 m，每個鉆孔裝藥量為0.6 kg，爆破時每次允許爆破數量為5個。上斷面松動爆破施工后，及時對頂板進行支護。

4 采空區巷道頂板聯合支護設計

4.1 錨索（網）支護

采空區巷道頂板主要采用“錨索+網+鋼筋鋼帶”聯合支護[4]，具體如下：

4.1.1 頂板錨索

頂板每排布置5根錨索，采用7芯鋼絞線，錨索長度為4.0 m、直徑為21.6 mm，錨索間距為0.9 m，排距為1.0 m，每根錨索采用一支MSCKa23/120錨固劑，錨索張拉力不低于250 kN。

4.1.2 鋼筋鋼帶

鋼帶長度為3.8 m，鋼筋鋼帶采用直徑為18 mm鋼筋焊接而成，呈梯子狀，鋼帶寬度為0.3 m，在同一排錨索外露端安裝一根鋼筋鋼帶，錨索外露端安裝一個長度及寬度均為0.3 m的托盤并采用鎖具進行預緊。

4.1.3 鋼筋網

頂板采用由直徑為5 mm鋼筋焊制而成的鋼筋網，鋼筋網長度為2.5 m、寬度為1.2 m，每個支護斷面安裝兩片鋼筋網，相鄰兩片鋼筋網搭接寬度不少于0.2 m，并采用14號鉛絲連接。

4.2 梯形棚支護

1）9203進風順槽采空區影響區安裝的梯形棚主要由頂梁、棚腿、撐桿、卡纜固定桿等組成，其中頂梁長度為4.0 m，由12號工字鋼梁制成；棚腿長度為3.5 m，由11號工字鋼梁制成，在棚腿中部焊制一個直徑為30 mm的圓孔。

2）在頂梁及棚腿兩端各焊制一個鋼板，鋼板上均勻布置兩個圓孔，撐桿長為1.2 m，在進行棚腿安裝時保證棚腿支撐角與兩幫斜角相同。

3）首先安裝兩根棚腿，棚腿安裝時與巷幫接觸嚴實，采用一根長度為1.0 m錨桿將棚腿與巷幫進行固定，如圖2所示。棚腿安裝后將頂梁與棚腿對接并采用卡纜進行固定。當巷道圍巖出現破碎，架棚后頂梁與巷幫無法接觸嚴實時，采用水泥背板或道木進行填充。

圖2 9203進風順槽梯形棚支護斷面示意圖（單位：mm）

4）梯形棚安裝間距為1.2 m，鋼棚安裝后在相鄰兩架鋼棚的棚腿之間采用撐桿連接，如遇頂板破碎、完整性較差時，采用縮小支護排距、加支對棚進行加強支護或在9號煤層頂板下提前打鋼釬、管縫錨桿進行超前維護頂板。若上述兩種辦法仍無法有效控制頂板時，可進行注膠加固煤（巖）體[5]。

5 應用效果

截至2021年2月17日，9203進風順槽已掘進到位，通過對巷道過上覆采空區期間掘進斷面、掘進工藝進行優化，以及采取聯合支護技術后，巷道在過采空區應力區時巷道掘進速度大大提高，且巷道圍巖變形現象得到有效控制。通過現場監測發現，巷道采取聯合支護后降低了頂板破碎及下沉現象，頂板下沉量控制在0.12 m以下，兩幫未出現片幫現象，兩幫收縮量控制在0.23 m以下，取得了顯著應用成效。