掘進巷道過高冒區支護技術優化研究

于建兵

（晉能控股集團寺河煤礦， 山西 晉城 048200）

引言

巷道掘進過程中會產生圍巖應力，當應力釋放時有張拉力產生在圍巖內，造成圍巖發育裂隙帶，由于裂隙的不斷伸長，并伸長到錨索對錨固進行支護的一端時，就會導致錨索對錨固的支護失效，進而在頂板中產生冒漏。頂板在有冒漏發生之后，該部分頂板中有髙冒區產生，并且髙冒區會積聚大量的瓦斯，對巷道管理的安全性帶來嚴重影響。基于以上巷道掘進過程中所面臨的支護問題，以晉能控股集團的寺河礦東井區北膠帶巷為例，提出了一系列的聯合支護方案及優化措施，并進一步展開研究。

1 寺河礦東井區北膠帶巷概況

本文案例中的晉能控股集團寺河礦東井區北膠帶巷所在的位置以東為東七盤區膠帶/輔運大巷（未掘），以南為5313 工作面（已掘），以西為東井區西回風大巷（已掘），以北為東井區北回風大巷東西段（已掘）。

當設計東井區北膠帶巷時，其長度設計成690 m，巷道斷面寬×高是5.5 m×4.2 m。當對巷道進行掘進時，3 號煤層是其需要施工的煤層，而且煤體所具有的結構簡單，該工作面預計會揭露的煤層厚度是3.8～4.2 m，平均厚度是4.0 m[1-2]。煤體結構與煤層在該工作面區域內的穩定性比較好，煤層中有少量夾矸，夾矸中所含泥巖絕大部分是砂質泥巖。每個煤層形成的夾角是1°～4°，煤層近水平。而且煤層的頂板與底板都是砂質泥巖。

1.1 頂板

老頂：細粒砂巖，厚度3.40 m，深灰色，厚層狀，巖芯完整，局部夾砂質泥巖，分選磨圓一般，普氏硬度2～5、抗壓強度 20～40 MPa、抗剪強度 2.58～4.59 MPa。

直接頂：砂質泥巖，厚度4.04 m，灰黑色，中厚層狀，巖芯完整，含植物化石，普氏硬度1～4.2、抗壓強度10～37.8 MPa、抗剪強度 1～2.45 MPa。

偽頂：碳質泥巖，厚度0.2 m，灰黑色，含植物化石，隨采掘脫落；普氏硬度0.5～1.0、抗壓強度10 MPa、抗剪強度 0.5～1.0 MPa[3]。

1.2 底板

直接底：粉砂巖，厚度1.82 m，灰色，柱狀，夾薄層砂質泥巖，普氏硬度 1～4.57、抗壓強度 10～45.7 MPa、抗剪強度 1～3.6 MPa。

老底：砂質泥巖，厚度3.11 m，灰黑色，較致密，有層理，不堅硬，含白色礦物質，局部含砂質較多，普氏硬度 1～4.2、抗壓強度 10～37.8 MPa、抗剪強度1～2.45 MPa。

1.3 煤層

3 號煤：煤層平均總厚5.95 m（最大6.33 m、最小5.8 m），普氏硬度 1～2、煤層傾角 10°、最小 0°、平均4°，黑色，似金屬光澤，以亮煤為主，暗煤次之，半亮型，煤層結構簡單、煤體堅硬。

在東井區北膠帶巷中所使用的掘進工藝為機械化，已經進行掘進的深度是470 m，當對巷道進行掘進，掘進到442 m 的位置時F5 正斷層被揭露，而且斷層與斷層之間的落差是1.5 m，相應傾角是52°。由于斷層的作用，當掘進到442～445 m 區域內就有冒漏出現在頂板，冒漏能夠有1.7～2 m 的高度，所形成的形狀是半球狀。因為冒漏區中的圍巖的穩定性極差、區域不小，所以之前的錨索進行支護的成效不佳，增加了支護的困難程度。

2 存在于冒漏區的主要問題

1）對原頂板進行支護的錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼，其總長是2.4 m，該錨桿1 排為6 根，相鄰錨桿之間的距離是1.0 m，頂板冒漏能夠有1.7～2 m 的高度，所形成的形狀是半球狀，當冒漏區選取錨桿進行支護時，支護成效與實施難度均大，當用密集錨桿來對冒漏區進行支護時，由于鉆孔在施工時會有破壞擾動產生作用于冒漏區，就會使冒漏區再次有冒漏事故發生。

2）在原頂板內，每排設置2 根錨索，相鄰錨索之間的距離是1.8 m，相鄰每排的距離是2.0 m，每根錨索的總長是7.3 m，錨索的直徑是21.8 mm，當把錨索設置在冒漏區時，要對工作平臺進行搭設，并且施工的步驟一點也不簡單，安全系數較低。

3）設計選用噴漿來支護冒漏區，由于冒漏區中的圍巖的膠結不穩定，所以選取噴漿能夠對該冒漏區中的煤巖體所具有的氧化進行控制，避免有自燃現象出現在煤層中，可是，噴漿還具有一定的缺陷，如較低的韌性、有限的厚度等，如有蠕動出現在冒漏區進而有變形發生時，使噴漿層逐漸，支護效果較差[4]。

4）當只選取錨索對冒漏區進行支護，但不填充與封堵冒漏區時，極易導致有窩風狀況出現在冒漏區，進而造成瓦斯在此冒漏區積聚，對巷道管理的安全性有害。

3 冒漏區采取的聯合支護控制技術

由于要使冒漏區的頂板更加穩定，解決傳統支護中的問題，進而把聯合支護控制技術用于冒漏區，聯合支護控制技術即為錨索補強、架設π 型鋼梁架棚、使用板梁打設“井”字型木垛接頂，并噴漿護表。

3.1 錨索補強支護

1）局部冒落高度小于500 mm 且頂板完整相對穩定按原設計進行支護。當頂板破碎且不規則時，頂錨索支護方式改為每兩排兩根單體錨索支護，錨索排距不變，錨索規格為SKP21.8-1/1720-7300。

2）局部冒落高度達到1 m，頂板完整相對穩定時，頂錨索支護方式改為每排2 根錨索進行支護，錨索型號為SKP21.8-1/1720-7300，排距1 m。同時在冒落區域前后5 m 范圍內將頂板補強為每排2 根型號為SKP21.8-1/1720-7300 的錨索，排距1 m。頂板破碎不規則時，頂錨索支護方式改為每排4 根錨索進行支護，錨索規格型號為SKP21.8-1/1720-7300，排距1 m。同時在冒落區域前后5 m 范圍內將頂板補強為每排4 根型號為SKP21.8-1/1720-7300 的錨索，排距1 m。

3）局部冒落高度達到2 m，頂錨索支護方式改為每排4 根單體錨索支護，錨索型號為SKP21.8-1/1720-7300，排距1 m。同時在冒落區域前后5 m 范圍內將頂板補強為每排4 根型號為SKP21.8-1/1720-7300的錨索，排距1 m。

3.2 架設π 型鋼棚、打設“井”字型木垛接頂支護

巷道冒落高度超過500 mm 的地段在錨索補強的基礎上，同時采用架設π 型鋼梁架棚，并使用板梁打設“井”字型木垛接頂方式補強[5]。

1）把首架錨索架棚設置在巷道深度的第440 m 位置，由π 型鋼梁與錨索構成錨索吊棚，π 型鋼梁長度分別是4.5 m、5.0 m，錨索的直徑是21.8 mm，長度是7.3 m。在頂板的錨索上套進一根40 t 三環鏈，并在三環鏈下使用錨索錨具固定牢固，在三環上套進Ф15.5 mm 的鋼絲繩（或在頂板的錨桿上安裝起吊環，起吊環擰緊不少于6 扣，在起吊環上套進Ф15.5 mm的鋼絲繩），垂直于巷道走向架設5 m 的棚梁，棚距1 m。棚梁必須吊掛于鋼絲繩上，鋼絲繩使用Ф15.5 mm繩卡壓接牢固，繩卡壓接不少于3 個，均勻布置，正反安裝，間距200 mm。必須保證每根棚梁至少有3 根鋼絲繩吊掛，并且必須保證棚梁兩頭在同一水平面上。棚梁架好后，保證兩頭搭接不小于0.5 m。

2）在間距為1 m 的棚梁上方打“井”字型連鎖木垛接頂，棚梁要與木垛接觸嚴實。板梁規格為R150 mm（或 R110 mm）×1 500 mm（或 1 200 mm），棚梁下方應采用長度不小于3 m 的鋼制棚腿支撐π 型鋼梁。

3）棚梁上方打木垛前，先在棚梁上鋪設3 m 板梁進行鋪底，然后在3 m 板梁上打木垛。必須保證所有木垛搭接平穩、牢固，層層對齊，不平處和接頂處必須用背板、柱帽、木楔墊穩、背緊、背實、背牢，并用3 m板梁將相鄰的兩個木垛連鎖。每層板梁方向一致，相鄰兩層板梁縱橫交錯，按照井字形、從下往上、垂直布置板梁，每層板梁搭接上層板梁后，各端部至少富余100 mm。每層板梁選取規格大小相近板梁，當某層出現一頭高一頭低的現象后，及時通過調整相應規格大小的板梁將木垛調平。坡度較大時，用10 號鐵絲將就近的兩個板梁捆綁，固定牢固。

3.3 噴漿護表

為了防止冒漏區在進行架棚、打木垛補強施工后，支護空隙出現瓦斯，在結束對冒漏區進行的補強施工后，必須及時使用黃沙、水泥材料對架棚區域進行噴漿護表處理。

3.4 其他方面

1）在π 型鋼棚中，其棚腿的長度不小于3 m，把鋼板分別安裝在棚腿的底端與頂端，鋼板的厚度、寬度、長度分別是8 mm、0.3 m、0.3 m。把圓孔加焊在鋼板中，圓孔的直徑是25 mm。15 號槽鋼經過制作而制成了長是4.5 m 的頂梁。

2）架設π 型鋼棚的起始位置是第440 m 處，相鄰鋼棚之間的距離是1.0 m，當架設鋼棚時，可以在硬度非常高的底板中安裝其底座，一定要澆筑底座。在架設鋼棚之后，需要選取巷幫和錨桿來對固定各個棚腿，選取連接桿固定相鄰的棚腿，而且連接桿的數量是4 組，選取背板來填充鋼棚與頂板的間隙位置。

4 結語

和傳統的錨桿錨索支護進行比較，π 型鋼棚的優點是具有較高的穩定性、較大的支護強度等，可以在構造等應力圍巖內使用π 型鋼棚。當把π 型鋼棚架設到東井區北膠帶巷冒漏區之后，使聯合支護的主要作用得以實現，髙冒區不再發生頂板冒漏問題，應用效果非常明顯。