穿層巷道掘進(jìn)施工工藝研究

柴俊濤

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概況

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司三盤區(qū)回采煤層為山西組4#煤層（山4#層）以及太原組2#煤層（2#層），各煤層平均厚度為3.5m，兩煤層間距為18m且主要為炭質(zhì)泥巖與粉砂巖混合層為主。西翼皮帶巷設(shè)計(jì)長度1200m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.5m，巷道從2#層皮帶巷開口施工，并7°仰角上山掘進(jìn)，當(dāng)巷道上山掘進(jìn)150m后與山4#煤層貫通，然后繼續(xù)掘進(jìn)32m，施工巷道沿山4#煤層平行掘進(jìn)，施工巷道上山掘進(jìn)階段采用爆破施工工藝。

西翼皮帶巷上山掘進(jìn)階段采用爆破施工工藝，巷道頂板采用“W”型鋼帶、金屬網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板鋼帶規(guī)格為長×寬=4.2×0.25m，鋼帶垂直巷道布置，間距為1.0m；頂板錨桿采用長度為2.5m，直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置5根，錨桿間距×排距=0.9×1.0m；頂板錨索采用長度為5.0m、直徑為17.8mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排施工3根，錨索間排距為間距×排距=1.6×3.0m。

由于巷道上山掘進(jìn)穿層階段頂板壓力較大，為了保證巷道安全掘進(jìn)，對(duì)巷道穿層階段主要存在的技術(shù)難題進(jìn)行預(yù)先分析，采用合理有效的穿層施工工藝及支護(hù)措施。

2 巷道穿層期間的困難

（1）由于三盤區(qū)掘進(jìn)煤層為石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，呈破碎狀，煤層普氏系數(shù)f＜2.0，單軸抗壓強(qiáng)度6.7～8.4MPa，煤體承載能力差。西翼皮帶巷在與山4#煤層貫通后上山掘進(jìn)時(shí)，巷道頂板破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，易發(fā)生局部冒落。

（2）西翼皮帶巷以7°仰角上山掘進(jìn)，巷道與山4#煤層貫通時(shí)頂板壓力相對(duì)較大，頂板應(yīng)力垂直向下，而頂板支護(hù)體與頂板斜面垂直布置，支護(hù)體支護(hù)分力小于頂板垂直應(yīng)力，無法滿足支護(hù)要求，頂板很容易發(fā)生局部垮落。

（3）巷道在與山4#煤層貫通期間以及沿4#煤層上山掘進(jìn)期間，頂板煤巖體厚度不斷發(fā)生變化，巷道頂板原支護(hù)體在局部區(qū)域錨固端位于煤體或煤巖體交界處，支護(hù)體錨固質(zhì)量差，一旦頂板壓力加大，頂板離層、破碎時(shí)，支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 巷道穿層施工工藝

為了防止巷道穿層期間及穿層后上山掘進(jìn)時(shí)頂板應(yīng)力大、發(fā)生頂板局部垮落事故，通過技術(shù)研究，決定采用臺(tái)階法上山掘進(jìn)。臺(tái)階法上山掘進(jìn)主要是在巷道上山掘進(jìn)期間通過施工頂板平段，將整個(gè)上山掘進(jìn)段分成若干個(gè)掘進(jìn)斜巷，并及時(shí)對(duì)頂板采取合理有效的支護(hù)措施，從而緩解了頂板壓力集中現(xiàn)象，避免頂板垮落事故發(fā)生。

西翼皮帶巷上山掘進(jìn)150m處且揭露山4#煤層時(shí)開始施工第一個(gè)平段，平段設(shè)計(jì)長度為5m，平段施工期間嚴(yán)禁空頂作業(yè)，及時(shí)補(bǔ)打支護(hù)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)平段施工完后，巷道繼續(xù)以7°斜坡上山掘進(jìn)。當(dāng)巷道上山掘進(jìn)長度為8.0m時(shí)施工第二個(gè)平段，施工工藝及支護(hù)工藝與第一個(gè)相同。依次類推，直至巷道揭露山4#煤層頂板后沿煤層頂?shù)装迤叫芯蜻M(jìn)。

西翼皮帶巷與山4#煤層貫通，共施工4個(gè)平段。

4 穿層期間支護(hù)工藝

4.1 平段掘進(jìn)期間補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

巷道平段施工期間，頂板采用密集錨索吊棚作為加強(qiáng)支護(hù)，每架錨索吊棚主要由三根長度為8.0m、直徑為17.8mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線以及一根長度為4.0m工字鋼梁組成，錨索吊棚垂直巷道布置，間距為1.0m。

4.2 注漿支護(hù)

對(duì)破碎頂板施工注漿鉆孔，注射高強(qiáng)度粘劑，提高破碎頂板穩(wěn)定性及承載能力，降低頂板事故率。

（1）巷道第一個(gè)平段施工完后，在工作面距頂板1.0m處施工一排注漿孔，共計(jì)四個(gè)，注漿孔深度為5.0m，直徑為45mm，間距為1.0m，注漿孔以45°仰角布置。

（2）注漿孔施工完后，采用專用注漿泵向孔內(nèi)注射馬麗散與催化劑配比為1:1的漿液，待煤壁出現(xiàn)漿液滲透時(shí)及時(shí)停止注漿，并采用水泥砂漿進(jìn)行封孔。

（3）注漿施工完3h后方可繼續(xù)掘進(jìn)，當(dāng)巷道掘進(jìn)4.0m后施工第二排注漿孔，每個(gè)平段間斜巷頂板共施工兩排注漿孔。

4.3 超前錨桿支護(hù)

超前錨桿支護(hù)主要在巷道設(shè)計(jì)頂板位置施工一組加強(qiáng)錨桿支護(hù)體，巷道在掘進(jìn)期間可以起到超前支護(hù)作用，避免頂板大面積垮落事故發(fā)生。

（1）巷道掘進(jìn)150m后在穿層斜巷段設(shè)計(jì)頂板位置施工一排超前支護(hù)鉆孔，鉆孔直徑為30mm，深度為4.0m，鉆孔以7°仰角布置，工作面每排施工9個(gè)支護(hù)鉆孔，間距為0.5m。

（2）超前支護(hù)鉆孔施工完后，在每個(gè)鉆孔內(nèi)依次填裝兩支MSKC23/35型樹脂藥，以及一根長度為4.5m、直徑為25mm的高強(qiáng)度螺紋錨桿，并采用手持式鉆機(jī)將其錨固，錨固后錨固力不得低于10t。

4.4 邁步式“T”型支護(hù)

斜巷段通過施工邁步式“T”型支護(hù)，增加支護(hù)體對(duì)頂板支護(hù)面積，從而有效防止頂板局部破碎，以及頂板下沉現(xiàn)象。

（1）“T”型支護(hù)主要由長度為2.5m、直徑為22mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，以及一塊長度為0.8m、寬度為0.5m鋼板組成。

（2）“T”型支護(hù)施工在頂板相鄰三根鋼帶中間且垂直鋼帶布置，在第一排與第二排鋼帶中間施工兩組“T”型支護(hù)，間距為3.0m，第二排與第三排鋼帶中間施工一組“T”型支護(hù)，相鄰三組“T”型支護(hù)呈邁步式布置，如圖1所示。

4.5 優(yōu)化頂板原支護(hù)設(shè)計(jì)

西翼皮帶巷在上山掘進(jìn)期間，為了防止煤巖層厚度變化，造成頂板原支護(hù)體錨固端位于煤巖交界處，導(dǎo)致出現(xiàn)頂板支護(hù)失效現(xiàn)象，對(duì)局部區(qū)域原支護(hù)體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）當(dāng)西翼皮帶巷道掘進(jìn)至108m、138m時(shí)，頂板錨索錨固端分別位于2#層頂板巖石層與山4#煤層之間以及山4#煤層與其頂板巖石層之間，此時(shí)錨索錨固效果差。巷道在上山掘進(jìn)100～110m以及135～140m范圍內(nèi)，頂板錨索采用長度為8.0m預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

（2）當(dāng)巷道掘進(jìn)至129m、158m時(shí)，頂板錨桿錨固端分別位于2#層頂板巖石層與山4#煤層之間以及山4#煤層與其頂板巖石層之間，此時(shí)錨桿錨固效果差。巷道在上山掘進(jìn)125～130m以及155～1160m范圍內(nèi)頂板錨桿更換為長度為5.0m預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

圖1 西翼皮帶巷穿層上山掘進(jìn)頂板支護(hù)斷面、平面圖

5 結(jié)語

通過技術(shù)研究，在西翼皮帶巷穿層期間采用臺(tái)階法掘進(jìn)施工工藝，采用“超前錨桿支護(hù)+注漿+邁步式T型支護(hù)”等聯(lián)合支護(hù)法，取得了以下效果：

（1）采用臺(tái)階法進(jìn)行上山掘進(jìn)，用錨索吊棚對(duì)臺(tái)階處頂板加強(qiáng)支護(hù)，降低了頂板壓力集中現(xiàn)象，避免了頂板垮落事故發(fā)生。

（2）注漿法的使用，大大提高了上山階段破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性，注漿后頂板破碎巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高至52.7MPa。

（3）施工超前錨桿支護(hù)加強(qiáng)了巷道上山階段頂板穩(wěn)定性，避免了因巷道爆破施工后頂板支護(hù)不及時(shí)、頂板受爆破震動(dòng)影響出現(xiàn)局部垮落。

（5）對(duì)層上山階段頂板施工邁步式T型支護(hù)，解決了頂板鋼帶支護(hù)斷面小，鋼帶間聯(lián)鎖保護(hù)性差等技術(shù)難題，增加了支護(hù)斷面，有效防止了頂板下沉。