人工復合假頂技術在近距離煤層巷道掘進中的應用

許 起

(長春興煤業有限公司，山西 大同 037101)

近距離煤巖層巷道掘進過程中，受巷道掘進擾動影響，近距離煤巖層穩定性降低，煤巖層內裂隙發育[1-4]，同時由于煤層厚度小，采用傳統錨桿(索)進行支護時，圍巖相對破碎，導致支護體錨固失效現象嚴重，而且在對支護體施加預應力時，無法通過桿體有效傳遞至圍巖巖層中[5]，導致支護效果差、支護難度大[6-10]，很容易發生頂板垮落事故。本文以長春興煤礦602運輸巷系統巷掘進為例，針對近距離煤層巷道掘進支護主要存在的技術難題，提出了“人工復合假頂+密集工字鋼棚”聯合支護技術。

1 602運輸巷概述

長春興煤業602運輸巷位于井田南盤區，巷道北部為實煤區，東部為南回風大巷二段、南帶式輸送機大巷二段、南運輸大巷二段，南部為602回風巷，西部為井田邊界，如圖1所示。

圖1 602運輸巷平面布置示意

602運輸巷設計長度為1 680 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道頂板采用“錨桿(索)+W型鋼帶+金屬網”聯合支護，頂板每排布置5根長度為2.5 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿布置排間距為1.0 m，同一排錨桿外露端安裝1根長度為4.2 m“W”型鋼帶，鋼帶寬度為0.28 m，厚度為4 mm；頂板每排布置3根錨索，錨索長度為6.5 m，直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.6 m，排距為3.0 m；巷道掘進煤層為22號，煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為2°。煤層頂底板巖性如表1所示。

表1 602運輸巷掘進煤層頂底板巖性

602運輸巷采用的是綜合機械化掘進工藝，602運輸巷系統巷設計長度為140 m，系統巷斷面規格與正巷規格相同，初步設計系統巷采用兩種施工方案，第一種施工方案是巷道開口平掘與南回風巷貫通，然后在回風巷內挑頂、施工人工風橋；第二種方案是巷道開口是以一定坡度掘進，巷道沿回風巷底板掘進，避免風橋施工(如圖2所示)。通過綜合分析，決定采用第二種施工方案。

圖2 602系統巷兩種施工方案平面示意

2 系統巷施工方案及支護難題

2.1 施工方案

602運輸巷從南帶式輸送機大巷二段開口施工，巷道開口前40 m以5°下山掘進，巷道掘進到位后進入南回風大巷二段底板下方，然后平掘5 m后再以5°上山掘進，掘進40 m后沿22號煤層底板平掘，巷道過回風巷底板時，兩巷層間距為1.5 m，如圖3所示。采用此種方式掘進避免了風橋施工，可提高巷道掘進速度。

圖3 602運輸巷系統巷穿層施工斷面、剖面圖

2.2 過巷掘進支護難題

1) 支護難度大：由于602運輸巷掘進過南回風巷二段底板時，兩巷層間距為1.5 m，而原巷道支護設計中頂板采用錨桿、錨索聯合支護，錨桿長度為2.5 m，錨索長度為4.5 m，錨桿(索)在近距離煤層中無法實現樹脂錨固支護，支護難度大。

2) 掘進安全系數低：南回風巷二段底板主要以泥巖為主，巖體單軸抗壓強度不足15 MPa，巖體呈層狀結構，巖體穩定性差；而602運輸巷采用綜合機械化掘進工藝，巷道過巷掘進時，近距離煤巖層受采掘影響巖體出現斷裂、破碎現象。不利于施工安全。

3 近距離煤層聯合支護技術

為了解決近距離煤層巷道掘進時支護難題，該礦研究決定，在602運輸巷系統巷近距離煤層掘進時采用“人工復合假頂+密集工字鋼棚”聯合支護技術。

3.1 人工復合假頂施工

1) 602運輸巷開口下山掘進至35 m處時停止掘進，由地測科現場調整中線，并在南回風巷二段標定出運輸巷過巷區域。

2) 在南回風巷二段指定區域底板進行起底，起底長度為7.0 m，寬度為4.5 m，起底深度為1.5 m，采用松動爆破施工工藝進行起底施工，每排布置3個爆破孔，共計布置5排，鉆孔深度為0.8 m，每個炮孔內填裝1支礦用乳化炸藥以及1支毫秒延期電雷管。

3) 起底到位后，對起底坑內進行整平，然后在起底坑內鋪設密集工字鋼梁，鋼梁長度為7.0 m，起底坑內共計鋪設42根鋼梁，鋼梁鋪設后兩端采用錨索穿拉并進行預緊。

4) 鋼梁鋪設完后對坑內進行混凝土澆筑，混凝土配比為水泥∶沙子∶石子=1∶2∶2，當混凝土澆筑厚度達0.2 m后停止澆筑，并在澆筑面上安裝4排錨桿，每排布置3根，錨桿長度為1.5 m，錨桿布置間距為1.5 m，排距為2.0 m，如圖4所示。

圖4 “人工假頂+密集工字鋼棚”聯合支護施工斷面示意(mm)

5) 錨桿安裝后繼續澆筑直至澆筑面與南回風巷二段底板平整，澆筑后4排錨桿外露端安裝長度為4.0 m工字鋼梁，共計安裝4根并采用螺母將其預緊。

3.2 架設密集工字鋼棚

為了進一步提高過巷期間頂板穩定性，人工復合假頂施工完后在復合假頂下方架設1排密集工字鋼棚。

1) 人工復合頂板施工完后巷道方可繼續掘進，為了防止EBZ型掘進機掘進時掘進量大導致頂板失穩現象，602運輸巷系統巷過巷期間采用全斷面光面爆破施工工藝，爆破孔深度為1.2 m，采用礦用三級乳化炸藥以及毫秒延期電雷管進行爆破，單茬掘進量控制在0.6 m范圍內。

2) 602運輸巷系統巷掘進至35 m處(距南回風巷二段邊緣5.0 m),開始架設矩形工字鋼梁，工字鋼梁主要由頂梁、棚腿、底座以及3組拉桿(頂梁、棚腿各1組)等部分組成，工字鋼梁架設間距為1.0 m。

3) 矩形工字鋼梁滯后掘進迎頭3.0 m處開始架設，當巷道掘進過巷5.0 m后停止架設鋼棚，共計架設15架鋼棚，所有鋼棚架設完后采用拉桿將相鄰兩架鋼棚進行固定防止倒架現象。

4) 鋼棚架設完后應對每一架鋼棚安裝質量進行檢查，鋼棚架設后保證鋼棚頂梁與頂板接觸嚴實，若巷道掘進期間發現鋼棚出現變形、斷裂現象時必須及時進行更換。

3.3 實際應用效果分析

截止2020年2月11日，602運輸巷系統巷已掘進90 m，對巷道過巷段采取施工人工復合假頂以及架設密集工字鋼棚后，對人工復合假頂處安裝頂板離層儀，通過30 d現場觀察發現，人工假頂以及密集工字鋼棚施工完后7 d范圍內，頂板出現局部蠕動變形現象，變形量為0.18 m，在7～16 d范圍內頂板蠕動變形逐漸控制，變形量為0.25 m，在16 d后頂板區域穩定；采取“人工假頂+密集工字鋼棚”后頂板未出現斷裂、破碎現象，有效解決了近距離煤層巷道掘進頂板支護難題。

圖5 602運輸巷施工人工假頂后圍巖變形曲線圖

4 結 語

長春興煤礦通過對601運輸巷系統巷過巷期間采取“人工復合假頂+密集工字鋼棚”聯合支護技術后，通過實際應用效果來看，取得了顯著應用成效：

1) 通過對過巷段采取人工復合假頂后，與傳統煤巖層頂板相比人工復合頂板穩定性強、密封效果好，而且有效解決了近距離煤層錨桿(索)支護難度大、支護效果差等技術難題。

2) 通過對過巷段架設密集工字鋼棚后進一步提高了頂板穩定性，避免了因頂板應力大導致頂板下沉、斷裂現象以及應力傳遞導致兩幫出現垮落以及片幫現象，具有顯著應用成效。