漸進(jìn)式掘進(jìn)技術(shù)在托頂煤石門揭煤中的研究與應(yīng)用

胡沖

（冀中能源峰峰集團(tuán) 大淑村礦，河北 邯鄲 056300）

1 概況

大淑村礦井井田位于峰峰煤田東北部，地處河北省武安市、磁縣和邯鄲市峰峰礦區(qū)接壤地帶。北部與南部分別以F1 和F14 正斷層構(gòu)成井田的自然邊界，西南與大社礦相鄰，東南與新屯礦相鄰，東西分別以人為邊界為界，標(biāo)高+250.6—-800 m，面積9.75 km2。172402 工作面位于-450 m 水平以上,四采區(qū)淺部，西北為172401 采空區(qū)，南東以F14斷層為界，西為設(shè)計(jì)172401 里工作面，東北為設(shè)計(jì)172403 工作面。該工作面下伏174402 工作面。172402 運(yùn)料石門，巷道開口層位位于4 號煤層，+16°起坡揭煤，從距2 號煤層底板2 m 到摸2 號煤層頂板期間，托頂煤長度在30 m 左右，巷道要貼近煤層施工很長一段時(shí)間。

2 號煤層屬于中厚煤層，厚度在6 m 左右，煤層堅(jiān)固系數(shù)0.5 左右，瓦斯吸附性強(qiáng)，屬于高瓦斯突出煤層。回采巷道均采用摸頂掘進(jìn)，石門開口層位位于2 號煤層底板下部時(shí)，石門揭煤時(shí)，要從巷道頂板揭露煤層底板，穿過6 m 厚煤層掘到煤層頂板，形成一個托頂煤掘進(jìn)段，長度在20～30 m，這個施工段，對巷道施工、支護(hù)帶來較大困難。采用單一U 鋼被動支護(hù)，頂板易發(fā)生漏冒并引發(fā)瓦斯事故；采用錨網(wǎng)支護(hù)，由于上覆煤體松散、本身堅(jiān)固系數(shù)小、自身抗承壓強(qiáng)度低，直接打設(shè)錨桿，會由于錨桿錨固強(qiáng)度不夠，造成巷道快速變形，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生漏冒事故。針對這一難題，該礦采用“漸進(jìn)式”掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行揭煤。

2 “漸進(jìn)式”掘進(jìn)施工技術(shù)方案

2.1 超前加固注漿

注漿材料為HWJ 超細(xì)水泥漿，從巷道頂板距2 號煤底板3 m 至摸2 號煤正常頂板期間，設(shè)計(jì)注漿孔間排距1.0 m×2 m，每排布置注漿孔5 個，孔深6 m，孔徑42 mm，封孔段長1.2 m。注漿管長2.5～3.5 m，直徑12.7 mm。注漿孔開孔位置布置在巷道頂部輪廓線內(nèi)側(cè)0.3 m 處。設(shè)計(jì)注漿終壓4～6 MPa，漿液有效擴(kuò)散半徑2.0 m。

2.2 密打超前穿頂錨桿

每掘進(jìn)1.6 m，在巷道頂板輪廓線處打設(shè)1 排超前錨桿控制頂板，錨桿間距150～200 mm，沿巷道掘進(jìn)方向打設(shè)，且與巷道掘進(jìn)坡度呈15°夾角上仰，使超前錨桿形成類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，牢牢拖住頂部煤層，使頂板形成安全屏障。超前錨桿采用直徑20 mm，長度2.4 m 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿在端頭注1 支Z2345 型樹脂藥卷。超前錨桿支護(hù)如圖1 所示。

圖1 超前錨桿支護(hù)示意Fig.1 Schematic diagram of advance bolt support

2.3 小循環(huán)漸進(jìn)式掘進(jìn)

在超長注漿和密打管縫錨桿2 層安全屏障下，進(jìn)行長加固、短掘進(jìn)，小循環(huán)漸進(jìn)式揭煤。超前注漿6 m，管縫錨桿2.4 m，但每一小循環(huán)只允許掘進(jìn)0.8 m，如此循環(huán)依次掘進(jìn)。

2.4 錨桿、錨索+槽鋼耦合支護(hù)

（1） 錨桿參數(shù)。全斷面打設(shè)錨桿，使用長2.4 m、直徑20 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼，螺母扭矩不小于140 N·m，抗拉拔力100 kN，錨桿露出螺母長度10～50 mm，錨桿間排距700 mm×800 mm。

（2） 錨索參數(shù)。采用規(guī)格5～11 m 的錨索，保證錨索能夠穿過煤層，錨入煤層上方堅(jiān)硬頂板中，使巷道形成主動支撐。當(dāng)172402 運(yùn)料石門頂板距2 號煤底板＞8 m 時(shí)，錨索為直徑21.6 mm、長度7.5 m 的鋼絞線；當(dāng)172402 運(yùn)料石門頂板距2號煤底板5～8 m 時(shí)，錨索為直徑21.6 mm、長度5 m 的鋼絞線；172402 運(yùn)料石門頂板距2 號煤底板3～5 m 時(shí)，錨索為直徑21.6 mm、長度11 m 的鋼絞線。當(dāng)172402 運(yùn)料石門頂板距2 號煤底板＜3 m時(shí)，錨索為直徑21.6 mm、長度10 mm 的鋼絞線。

錨索間距1.4 m×1.6 m（距煤層底板小于3 m時(shí)，排距改為0.8 m），每排打設(shè)5 根，中間3 根布置在槽鋼上，在距槽鋼端頭錨索1.4 m 處各打設(shè)1條錨索。每根錨索注1 支CK2345 型樹脂藥卷和2支Z2345 型樹脂藥卷，超快藥卷布置在端頭，其次為中速藥卷。錨索預(yù)緊力不小于150 kN，錨固力不小于200 kN。錨索托盤為鋼托盤，布置在槽鋼上的錨索托盤規(guī)格為長×寬×厚=120 mm×120 mm×16 mm，單獨(dú)打設(shè)錨索托盤規(guī)格為長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm，錨索外露長度150～250 mm。

（3） 槽鋼參數(shù)。槽鋼材質(zhì)為16 號熱軋普通槽鋼，每條槽鋼長4.0 m，槽鋼上布置3 條錨索，均勻布置在槽鋼中線及兩側(cè)，錨索間距1.4 m，排距1.6 m。當(dāng)巷道頂板距大煤底板小于3 m 時(shí)，槽鋼排距縮至0.8 m。

巷道支護(hù)斷面如圖2 所示，錨索遞進(jìn)式打設(shè)布局如圖3 所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面示意Fig.2 Schematic diagram of roadway support section

圖3 錨索遞進(jìn)式打設(shè)示意Fig.3 Schematic diagram of anchor cable progressive setting

3 圍巖變形監(jiān)測

3.1 錨桿、錨索受力情況

初始打設(shè)時(shí)，錨桿、錨索均達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力要求，在172402 運(yùn)料石門施工完成后3 個月內(nèi)，僅有1 根錨索失效，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 頂?shù)装寮皟蓭鸵平勘O(jiān)測

在巷道內(nèi)每間隔5 m 建立1 個測站，共建5 個測站。3 個月內(nèi)巷道圍巖變形監(jiān)測情況見表1。

表1 巷道圍巖變形監(jiān)測情況Table 1 Deformation monitoring of roadway surrounding rock

從測試的數(shù)據(jù)可知，巷道位移最大變形量為30 mm，變形量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，且巷道頂幫無開裂，巷道支護(hù)效果良好。

4 效益分析

（1） 經(jīng)濟(jì)效益。采用傳統(tǒng)的密排U 鋼支護(hù)，每米成本在7000 元左右，費(fèi)用為21 萬元。采用漸進(jìn)式掘進(jìn)技術(shù)，使用超細(xì)水泥和超前錨桿，加上錨網(wǎng)支護(hù)費(fèi)用，每米在4500 元左右，按石門揭煤長度30 m，費(fèi)用在13.5 萬元，可節(jié)省材料費(fèi)用7.5萬元。

（2） 社會效益。巷道為+16°起坡進(jìn)行揭煤，采用傳統(tǒng)的U36 鋼支護(hù)，大坡度掘進(jìn)時(shí)，架設(shè)U鋼非常困難，容易砸傷、磕傷作業(yè)人員；使用漸進(jìn)式掘進(jìn)支護(hù)方式支護(hù)頂板，采用錨網(wǎng)索主動支護(hù)，工藝簡單、可靠，可快速、安全實(shí)現(xiàn)石門揭煤。

5 結(jié) 論

（1） 使用漸進(jìn)式掘進(jìn)技術(shù)，水泥漿液充填煤體裂隙，水泥漿與煤體粘合成一個整體，形成強(qiáng)度較高的承壓曾，增強(qiáng)了其抗彎、抗剪、抗沖能力。

（2） 漸進(jìn)式掘進(jìn)技術(shù)，長短錨遞進(jìn)式布置，錨索均錨入巖層堅(jiān)硬頂板不小于1.5 m，將托煤段牢固的吊到穩(wěn)定巖層上。

（3） 漸進(jìn)式掘進(jìn)技術(shù)，長加固，短掘進(jìn)，保證每個小循環(huán)均在安全的掩護(hù)下掘進(jìn)，杜絕了托煤期間頂板煤體漏冒現(xiàn)象的發(fā)生。

（4） 該技術(shù)施工工藝比傳統(tǒng)的U 鋼支護(hù)，施工進(jìn)度快，且為主動支護(hù)，施工效果良好，在該礦幾處揭煤中均成功應(yīng)用，值得推廣。