近距離煤層巷道掘進工藝及支護技術

王燕青

（山西壽陽潞陽瑞龍煤業有限公司，山西 晉中 045400）

1 概況

潞陽瑞龍煤業現開采15#和煤層。150108膠帶巷位于井田東翼，巷道東部為井田邊界，西部為盤區大巷，南部為150109 軌道巷，北部為150108 軌道巷。150108 膠帶巷設計長度為1357 m，巷道設計為矩形斷面，斷面規格為寬×高=4.8 m×3.2 m。巷道沿煤層底板掘進，煤層傾角-9°～16°，平均傾角8°，平均厚度 3.5 m。煤層直接頂板為泥巖，厚度為 2.0～4.5 m，平均厚度3 m；往上為15#煤，煤層平均厚度1.8 m；15#煤直接頂為粉砂巖，厚度 2～3 m；往上依次為厚度5～7 m 的砂質泥巖、厚度4 m 細砂巖、炭質泥巖、煤、炭質泥巖、細砂巖、14#煤和K3 石灰巖。煤直接底為泥巖，平均厚度10.2 m。

礦井東翼的15#煤已回采完畢，煤層布置3 個工作面，150108 軌道順槽位于實體煤下，150108 膠帶巷開口至600 m 段位于實體煤下，再往里局部巷段位于150102 采空區下，采空區下巷道掘進長度為120 m，巷道與上覆采空區平均層間距為4.5 m，屬于近距離采空區下掘巷，如圖1。

圖1 150108 膠帶巷與上覆采空區對應關系圖

2 巷道斷面優化

2.1 巷道掘進現狀

150108 膠帶巷采用綜合機械化掘進工藝，巷道已掘進至620 m 處。巷道前期掘進過程中為矩形斷面，巷道頂板采用錨桿、錨索聯合支護，錨桿長度為2.4 m，直徑為22 mm， 托盤150 mm×150 mm×10 mm；錨桿排距0.9 m，間距1.0 m，每排布置5 根。頂板錨索采用1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4.0 m，直徑為21.8 mm，采用“三·二”布置，間距1.6 m，排距1.8 m，錨索安裝在兩排錨桿間頂板的中部。

150108膠帶巷在前600 m掘進時圍巖相對穩定，頂板錨桿（索）支護效果較好，頂板變形量在0.12 m 以下，兩幫收斂量在0.17 m 以下，未出現頂板破碎、兩幫垮落現象。當巷道掘進至600 m 處時進入上覆15#煤層150102 工作面采空區下方，巷道掘進至610 m 處時由于受上覆采空區殘余應力以及巷道開挖應力影響，層間巖體出現破碎現象，巖體內裂隙高度發育，圍巖出現失穩現象，頂板破碎、兩幫垮落，頂板錨桿支護失效率達17%，頂板最大下沉量達0.38 m，兩邊最大垮落深度達1.4 m。

2.2 巷道斷面優化

（1）為了降低采空區殘余應力對兩幫破壞力度，提高兩幫對頂板支撐強度，促使頂板形成連續穩定的應力梁，巷道掘進至620 m 處時對巷道斷面進行優化，改用梯形斷面。

（2）優化后的梯形斷面巷高為3.2 m，頂板寬度為3.8 m，底板寬度為5.2 m，兩幫迎山角為78°，巷道頂板及兩幫永久支護與原巷道支護設計相同。

（3）近距離采空區下巷道掘進期間為了提高巷道成型率，防止掘進機一次性掘進時掘進進度控制不到位，造成頂板垮落現象，決定對620～720 m段巷道采取機械與爆破相結合的分層掘進工藝。即巷道下斷面采用松動爆破施工工藝，上斷面采用掘進機掘進。

（4）下斷面為梯形斷面，斷面高度為1.6 m，上邊寬度為5.0 m，下邊寬度為5.2 m。下斷面布置兩排松動爆破孔，孔深為1.0 m，直徑為40 mm，鉆孔布置間距為1.0 m，每排布置5 個，兩排鉆孔布置排距為1.2 m，兩排鉆孔成三花布置。每個鉆孔內填裝一支乳化炸藥以及一發電雷管，炮孔采用水炮泥封孔處理，封孔長度不低于0.5 m，每次爆破鉆孔數量為3 個。

（5）下斷面爆破施工后，在爆破震動作用下，上斷面煤體出現圍巖裂隙，降低了圍巖穩定性及巖體強度，此時上斷面采用掘進機進行掘進，單茬掘進深度為0.8 m。

3 采空區下巷道支護技術

為了提高近距離采空區下巷道掘進時頂板穩定性，防止頂板出現垮落事故，在原頂板支護的基礎上對頂板施工“注漿錨桿+錨索鋼梁+梯形棚”聯合支護[1-5]。

3.1 注漿錨桿支護

（1）注漿錨桿與原巷道頂板錨桿配合使用，注漿錨桿采用“三·二·三”布置方式，將原頂板每排中1#（幫部）、3#（中部）、5#（幫部）錨桿替換為注漿錨桿，2#、4#繼續使用原頂板螺紋鋼錨桿，第二排2#、4#變為注漿錨桿，以此類推。注漿錨桿布置排間距為2.0 m。如圖2。

（2）150108 膠帶巷頂板施工的注漿錨桿主要由長度為3.5 m、直徑為40 mm 無縫中空鋼管焊制而成，注漿錨桿端部焊制三排注漿射孔，射孔直徑為10 mm，孔間距為0.3 m，每排7 個。

（3）注漿錨桿施工順序：鉆孔施工→錨注注漿錨桿→安裝注漿軟管→開泵注漿施工→安裝承載件；注漿液采用聚氨酯粘合劑，注漿壓力2.5 MPa，單孔注漿量為21.5 kg。

3.2 錨索鋼棚施工

為了提高頂板承載強度，防止頂板出現破碎、下沉現象，對頂板施工聯鎖錨索鋼棚支護。

（1）錨索鋼棚支護主要由JW 型鋼梁、恒阻錨索以及連接縱梁等部分組成，JW 型鋼梁長4.5 m，寬度為0.32 m，鋼梁上布置三個錨索支護孔，孔間距為1.8 m。

（2）恒阻錨索長4.0 m，直徑為21.8 mm，連接縱梁采用12#槽鋼焊制而成，縱梁長度為2.2 m，縱梁兩端焊制成凹槽狀，槽鋼縱梁與JW 型鋼梁采用卡纜進行固定。

（3）首先在相鄰兩排錨桿之間空隙的頂板施工JW 型錨索鋼棚，鋼棚布置排距為2.0 m，每架JW 型鋼棚采用三根恒阻錨索進行固定。JW 型鋼梁在安裝后預緊前，對相鄰兩架吊棚之間安裝3 根縱梁并固定，縱梁安裝后對JW 型吊棚預緊，預緊后確?？v梁、JW 型梁與頂板接觸嚴實。

3.3 梯形棚支護

為了提高頂板及兩幫圍巖抗載荷能力，降低頂板垂直應力對頂板及兩幫破壞力度，在采空區下段架設密集梯形鋼棚。

（1）每架梯形棚主要由兩節棚腿、底座、頂梁、卡纜、拉桿等部分組成。棚腿與底座之間采用螺母固定，棚腿長度為3.5 m，采用U29 型鋼焊制而成，棚腿頂部安裝一塊對接鋼板，鋼板上焊制四個卡纜固定孔。

（2）頂梁長度為4.2 m，頂梁采用5 根直徑為30 mm 圓鋼以及夾板組成，頂梁寬度為0.5 m，頂梁兩端各焊制一個對接鋼板，與棚腿頂部對接鋼棚參數一致，如圖2。

圖2 15108 膠帶巷聯合支護斷面、平面示意圖（mm）

（3）梯形棚安裝間距為2.0 m，梯形棚安裝順序為：底座→棚腿→頂梁→連接桿。相鄰兩架鋼棚采用三組連接桿固定，每組2 根，連接桿長2.0 m，分別安裝在棚腿以及頂梁上，鋼棚棚腿安裝迎山角與兩幫迎山角一致。

4 效果

截至2021 年6 月17 日，150108 膠帶巷已掘進至780 m 處且完全通過了上覆15#煤層采空區影響區段，在650～700 m 段（已采取聯合支護）處安裝了一臺YH-300 型數字顯示離層儀。通過15 d 現場觀察發現，在0～8 d 范圍內受集中應力影響，頂板同樣出現塑性變形現象，頂板出現下沉；在8～12 d范圍內頂板下沉量逐漸減小，12 d 后頂板趨于穩定，頂板下沉量控制在0.12 m 以下。同時，采取聯合支護技術后，提高了頂板承載強度，降低了頂板垂直應力對兩幫破壞現象，兩幫垮落現象得到了有效控制，最大垮落深度控制在0.7 m 以下。