開拓巷道過采空冒落區支護工藝實踐

＊趙 江

（山西汾西礦業集團有限責任公司 山西 032000）

資源整合礦井受之前小窯破壞影響，存在較多不規則、零星分布的采空區，在礦井建設過程中造成較大的安全隱患。開拓巷道遇到采空冒落區時所采取的支護技術直接影響到其安全生產、支護效果及掘進速度等，因此，對開拓巷道過采空冒落區支護技術進行研究，制定出合理的支護方案，對正升煤業的安全高效生產具有較高的價值與必要性。

1.工程背景

圖1 西翼膠帶大巷過空巷示意圖

正升煤業西翼膠帶大巷沿煤層掘進，采用錨網噴支護方式，當施工至L2點前79m處，揭露原安源采空區，根據原地質資料分析，該段采空為2008年回采，采空范圍長度40m，開采高度為7m左右，采空區范圍內已全部垮落充填，主要以石灰巖為主。由于井底煤倉已形成，西翼膠帶大巷左右兩側35m為西翼回風大巷和西翼軌道大巷，無法左右繞過采空區。根據地質資料通過采空區后煤層為7°～8°上山，為確保通過采空區后進入煤層，合理布置采煤系統，下穿或上穿均不可行，因此西翼膠帶大巷掘進方案確定為繼續沿原方位和坡度強行通過該采空區域。

2.施工方案

西翼膠帶大巷穿過該采空區域時，上下左右均為采空區冒落碎石回填區，且冒落高度大，錨桿、錨索因無法錨固在穩定巖層中起不到錨固作用而失效，故原設計的錨網噴工藝已不適于穿越該采空區。

根據該段圍巖情況，做如下分析：

（1）由于該采空區段圍巖破碎，壓力來源各向不均勻，故考慮通過架設拱形U型鋼棚或矩形工字鋼棚支護通過。

（2）在向前掘進過程中，由于圍巖不穩定，需要一段相對安全的操作空間，可以采用超前工字鋼預支護或者采用鋼管帷幕超前支護，即提前沿輪廓線在頂拱及兩幫超前打孔后施工一圈鋼管，鋼管外端固定在緊挨迎頭的棚架上，掘進后另一端至少1m留在工作面巖體內部，于是在掘進過程中形成一個鋼管帷幕作為臨時支護的安全作業區，確保迎頭工作面至棚架之間掘進施工人員及機械的安全。

（3）考慮到掘進、支護過程中存在活矸冒落危險，且底板也不穩定，有隨時冒落的威脅，故考慮先進行預注漿或后注漿，將圍巖穩固粘接，既保障超前打孔易于操作，又使頂板矸石不易掉落、底板棚腿架設穩定不易傾倒。

綜合以上分析，設計采用“預注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”和“人工假頂+架棚+后注漿”兩種施工工藝對比，確定合適的穿過冒落區。

(1)“預注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯合支護方案

①預注漿超前加固

采用向采空區預注漿對兩幫及頂部進行超前加固防止掉頂，脫落。在沿巷道輪廓線往外50mm、與幫夾角3°，從底板向上1m、2.5m位置各布置1個注漿孔，注漿孔仰角為40°左右。頂板中心位置布置一孔，注漿孔孔徑Φ=42mm，孔深 4～6m，孔距2.5～3m，封孔深度1m。

施工順序：打眼→安裝封孔器→連接注射管和注射花管→連接設備（供風管路和注漿管路）→注漿→清洗設備。如圖2所示。

圖2 注漿流程示意圖

②鋼管帷幕超前支護

為防止通過采空區期間巷道上方的大塊巖石掉落，掘進巷道時布置鋼管帷幕進行超前支護，確保工人作業范圍的安全，如圖3、圖4所示。掘進前，利用YT-28型風鉆，沿巷道半圓拱輪廓線往外50mm的位置打眼，拱部孔距300mm，直墻部500mm，直徑50mm，長3000mm，施工數量33個。鉆孔完畢后，將直徑42mm、長3000mm的鋼管插入鉆孔，限位固定牢靠并接頂后開始掘進。采用綜掘方式分斷面掘進作業，短掘短支，循環步距700mm，并及時進行初噴，對巷道表面進行封閉處理，然后采用內阻式單體支柱及時進行臨時支護，確保架棚期間的安全可靠。掘進至帷幕下方剩余1m時，在兩孔300mm中間繼續打孔，進行下一循環超前帷幕施工，直至通過采空區。

圖3 鋼管帷幕超前支護立面示意圖（單位：mm）

圖4 鋼管帷幕超前支護平面示意圖（單位：mm）

③U型鋼棚永久支護

為確保該段巷道既滿足設計要求，巷道斷面為直墻半圓拱形，掘寬5215mm、掘高4050mm（靠鋼管帷幕控制），架棚支護噴漿后凈寬4800mm、凈高3700mm、鋪底100mm。U29型鋼棚棚距為700mm（中-中），迎山角1°，采用水泥背板（長1000mm×寬150mm×厚80mm）與實頂、實幫背實背嚴，背板花背布置，如圖4所示。為使圍巖形成一個整體，鞏固U型鋼棚支護質量，通過采空區后在該段巷道打孔進行壁后注漿充填、底板注漿，壁后注漿孔在巷道頂板、背板中間施工，底板注漿孔在棚腿及巷道中部施工。注漿鉆孔直徑42mm，淺孔1m、深孔1.5m，交叉布置，排距1400mm，注漿時以漿液外流為止。

圖5 U型鋼棚永久支護斷圖（單位：mm）

(2)“人工假頂+工字鋼棚+后注漿”聯合支護方案

①人工假頂

首先預計過采空區前5m將拱形巷道變成矩形巷道，提前采用錨索吊工字鋼棚支護，采用長度為8.0m、直徑為21.6mm高預應力鋼絞線組成的錨索，間排距1.0m；鋼棚采用長度為4.8m工字鋼梁架設，鋼棚間距為1.8m。待伸入到采空區兩架錨索吊棚施工完畢后，及時對兩根頂梁、錨索的水平度進行調整，確保成巷頂板水平，便于頂板支護。鋼梁調平后在其上方依次鋪設長度為7.0m的18#工字鋼縱梁，縱梁與錨索吊棚、鋼梁垂直布置且采用卡纜進行固定，縱梁間距為1.0m。為防止出現漏頂、偏幫，在縱向梁鋪設依次鋪設8#鉛絲、規格為6.0m×2.4m的金屬網，金屬網與縱梁、橫梁之間采用三花綁結。

為增加緩沖力、圍巖的整體性和防止注漿時出現漏漿，在金屬網方鋪設多層、長度為3.5m的半圓木垛成“#”字型接頂。首層共布設6根半圓木且與縱梁垂直布置，間距為0.6m；上一層與首層的鋪設方向垂直且成“#”型布置，依次類推直至半圓木與漏頂區勾頂，實現嚴實接頂。所有半圓木鋪設完后，采用氣動錨索張拉器具對錨索和鋼棚進行進一步加固、調整。

②工字鋼棚架設

為了進一步提高人工假頂穩固性，待假頂及注漿施工完后在假頂區下方架設密集矩形工字鋼棚。工字鋼棚主要由兩節棚腿、一節頂梁以及兩個棚腿底座組成，棚腿長度為2.8m，頂梁長度為4.0m，工字鋼棚架設間距為1.0m[1]。

為了防止倒棚事故發生，起底澆筑棚腳，確保底座安裝牢固，底座安裝后將棚腿與底座采用連接螺栓固定，每節棚腿與巷幫采用錨桿錨固。待棚腿安裝后將頂梁與兩節棚腿采用卡纜固定并進行預緊，預緊力不得低于200N·m；為了提高鋼棚之間聯鎖保護作用，在相鄰兩架鋼棚之間采用五組拉桿進行固定，其中棚腿各兩組成交錯式布置，頂梁一組[2]。

所有鋼棚架設完后在鋼棚頂梁與假頂縱梁之間間隙處填塞水泥背板，確保鋼棚與假頂之間接觸嚴實。

③注漿施工

為了實現永久巷道的穩定性和牢固性，研究采用注射“馬麗散+羅克休”兩種膨脹劑，采用馬麗散粘劑為了進一步增強冒落區圍巖粘合度，形成穩定的圍巖保護區，同時防止假頂區域出現瓦斯集聚現象；采用注射羅克休膨脹劑目的為提高假頂密實性，提高承載力，降低假頂內間隙。正升礦決定首先采用馬麗散粘劑對假頂區域進行注漿填充。巷道頂部在距冒落區前1.0m處鉆孔，注漿孔數量5個，采用垂直頂板布置，間距800mm，鉆孔直徑為42mm，深度5.0m；選用高壓注漿泵依次對稱向鉆孔內注射馬麗散粘劑，注漿期間發現鉆孔附近煤體出現漿液滲透時立即停止注漿，并及時封孔。待圍巖注漿2h后，將由樹脂與催化劑兩種成份組成且配比4:1的羅克休膨脹劑向假頂內間隙注入。在注射羅克休膨脹劑時施工人員應站在上風側，將注漿軟管從假頂側面深入高冒區頂部，注漿壓力控制在0.4～0.7MPa之間[3-4]。

3.支護方案的對比

“人工假頂+工字鋼棚+后注漿”聯合支護方案分析：掘進巷道在高地應力、采空冒落區中，采用剛性的工字鋼棚支護受壓長出現變形，易出現冒頂偏幫等現象，施工難度大，安全管理困難，后期維護費用高。優點：支護巷道地點可以隨意變動，快速掘進支護成巷，滿足巷道布置緊張的狀態；缺點：斷面頂部易受來壓彎曲，棚腿彎折，鋼棚倒架，巷道變形嚴重，經常造成片幫、底鼓現象，井巷維護大，使用危險性高。支護材料消耗大，維護人員浪費工時，礦井成本費用提升。解決巷道應力大的方法：改變鋼型，增加承載能力；縮短棚距，提高支護密度，連鎖棚間，提高整體受力；填充幫、頂空隙，提高支架的預緊力。一般情況下回采巷道多采用工字鋼棚進行支護。

“預注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯合支護方案分析：在永久巷道采用U型鋼棚支護能夠緩沖圍巖產生一定變形，釋放圍巖應力。缺點：增加支架結構的復雜性，需掘進大斷面，滿足緩沖變形要求，施工勞動強度大。如巷道礦壓較大時，U型棚實際方法：采用大工作阻力可縮支架；為巷道受壓收縮預留大斷面。

本巷道為開拓巷道，與鋼管帷幕超前支護存在活矸冒落危險，且底板也不穩定，致使棚腿不易穩固架設，建議采用“預注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚”聯合支護方案。

4.支護效果

采用十字觀測法進行巷道表面位移監測。掘進過程中巷道每隔5m設1個監測站，在每個監測站斷面的頂、底板和兩幫的中部各布置1個測點，放出巷道的中腰線，觀測時用鋼卷尺測量，分別對頂底及兩幫的距離測量讀數記錄[5]，詳見圖6。觀測結果顯示巷道變形量在5～10mm左右，說明巷道圍巖穩定，滿足設計要求。

圖6 “人工假頂+架棚+后注漿”聯合支護永久支護示意圖（單位：mm）

5.結論

西翼膠帶大巷過采空冒落區期間，通過預注漿+鋼管帷幕+U型鋼棚工藝的應用，有效提高了巷道圍巖穩定性，保證了支護效果、掘進速度，減少了對礦井建設造成的影響時間，保障了礦井的安全生產，降低了巷道的后期維護工程量，取得了良好的效益。