自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)

趙建光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

同發(fā)東周窯礦是晉能控股集團(tuán)旗下千萬噸礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、陷落柱、火成巖侵入、破碎帶頻繁出現(xiàn)，掘進(jìn)巷道過構(gòu)造區(qū)和破碎帶常發(fā)生迎頭冒漏[1-3]，迎頭冒漏嚴(yán)重威脅作業(yè)人員安全，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工期和掘進(jìn)速度，處理冒漏過程極具危險(xiǎn)性，額外增加掘進(jìn)費(fèi)用投入，探索安全實(shí)用防治迎頭冒漏掘進(jìn)技術(shù)的重要性日益凸顯。

礦井常用掘進(jìn)方法和防治迎頭冒漏方法及弊端如下：

1）常用掘進(jìn)方法及弊端。常用掘進(jìn)方法為全斷面一次掘進(jìn)法[4-6]，即巷道按設(shè)計(jì)全斷面高度和寬度一次性挖掘后永久支護(hù)。實(shí)踐表明，穩(wěn)定頂板條件下，此掘進(jìn)方法法對(duì)堅(jiān)持正規(guī)循環(huán)作業(yè)和提升進(jìn)尺水平有利。在頂板破碎條件下，此掘進(jìn)方法弊端是極易造成迎頭頂板冒漏。這是由于，巷道沿設(shè)計(jì)頂板線開挖后，位于設(shè)計(jì)頂板線上部的破碎巖體極易失穩(wěn)自然冒落，造成迎頭冒漏頂，冒落和處理冒漏頂過程十分危險(xiǎn)，影響正常掘進(jìn)，需投入人力物力，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

2）常用防治迎頭冒漏方法及弊端。常用防治迎頭冒漏方法是超前加固掘進(jìn)迎頭破碎頂板，即在巷道掘進(jìn)開挖前，在迎頭超前加固未掘進(jìn)開挖區(qū)的破碎頂板巖層，使破碎頂板巖層提前加固，改變頂板存在條件和力學(xué)狀態(tài)，使開挖后頂板不大面積垮塌。主要方法有：超前錨桿（錨索）加固法、超前預(yù)注漿加固法[7-8]、超前預(yù)注高分子材料加固法[9-11]，這些方法可以防治迎頭冒漏。但這些方法的弊端是，它們都是前置于掘進(jìn)開挖的獨(dú)立工序，需專用設(shè)備、材料，加固過程占用工時(shí)，在正規(guī)循環(huán)作業(yè)外又增加了工藝工序，增加了工作時(shí)間，增加了防治費(fèi)用投入，嚴(yán)重影響進(jìn)尺水平和掘進(jìn)效率提升。

鑒于常用掘進(jìn)方法和常用防治迎頭冒漏方法的弊端，礦井探索并形成了一種自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)，克服了常用掘進(jìn)方法和常用防治迎頭冒漏方法弊端，安全高效地解決了掘進(jìn)巷道過構(gòu)造區(qū)和破碎帶迎頭冒漏問題。

1 自然平衡拱托頂原理

在構(gòu)造區(qū)和破碎帶，巷道沿設(shè)計(jì)斷面掘進(jìn)開挖后，設(shè)計(jì)頂板線上部的破碎巖體自然垮出冒高，形成了平衡穩(wěn)定的類似拱型結(jié)構(gòu)，即自然平衡拱[12-13]，自然平衡拱及其2 種屬性如圖1。

圖1 自然平衡拱及其 2 種屬性Fig.1 Natural balance arch and its two attributes

該拱結(jié)構(gòu)形成后至少有2 種屬性：第1 種屬性是拱體的穩(wěn)定承載性，拱體具有支撐能力，能承載上覆巖體，阻止上部巖體繼續(xù)冒高；第2 種屬性是拱內(nèi)的自行垮空性，拱內(nèi)部破碎巖體自然垮出，形成內(nèi)部空間。在巖體掘進(jìn)施工控制領(lǐng)域，巖體按設(shè)計(jì)斷面掘進(jìn)開挖后，設(shè)計(jì)頂板線上部的破碎巖體自然垮落形成平衡拱，由于造成頂板冒漏，第2 種屬性的效應(yīng)往往被認(rèn)為是負(fù)面的。但換一種思維，如果能充分利用以上2 種屬性，讓拱內(nèi)破碎巖體自然垮出后的空間變?yōu)橄锏罃嗝娴囊徊糠?，同時(shí)讓拱體穩(wěn)定支撐巷道設(shè)計(jì)頂板線上部巖體，即將自然平衡拱下移至巷道斷面內(nèi)設(shè)計(jì)頂板線下方，變負(fù)面有害效應(yīng)為正面有利效應(yīng)，既能利用第1 種屬性有效支撐巷道設(shè)計(jì)頂板線上部的破碎巖體，防止設(shè)計(jì)頂板線上部巖體冒漏，起到支護(hù)作用，又能利用第2 種屬性使部分?jǐn)嗝鎺r體自然垮出，代替部分?jǐn)嗝骈_挖，可取得事半功倍效果。而要實(shí)現(xiàn)這一切，僅需先對(duì)巷道斷面下部分開挖，讓斷面上部分自然垮落形成平衡拱即可。這就是自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)的基本原理，自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)原理圖如圖2。

圖2 自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)原理圖Fig.2 Principle drawing of quick driving technology to prevent broken head-on leakage by natural balance arch supporting roof method

2 自然平衡拱托頂法快捷掘進(jìn)技術(shù)

2.1 設(shè)計(jì)與施工工藝

1）分部并確定分部高度。將巷道斷面分為上下2 部分，下部分為人工開挖部分，上部分為自行垮落和人工開取部分。上下2 部分高度確定的基本原則是：下部分開挖后，上部分自然垮落形成平衡拱后的拱頂位置位于或略高于巷道斷面設(shè)計(jì)頂板位置，可用以下2 種方法確定上部分的高度，用巷高減去上部分高度即為下部分高度。①理論計(jì)算法[14]：上部分的高度hu=B/2f（式中：B為巷寬；f為普氏系數(shù)）；②經(jīng)驗(yàn)法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，上部分高度取1.5～2.5 m，一般圍巖破碎程度輕時(shí)取小值，破碎程度嚴(yán)重時(shí)取大值。

2）開挖和托頂。按照確定的下部分高度，人工開挖斷面下部分，上部分自行垮落形成穩(wěn)定自然平衡拱，拱頂大致位于或稍高于巷道斷面設(shè)計(jì)頂板線位置，形成了托拱，托住巷道頂板上部破碎巖體，避免上部巖體冒漏，自然平衡拱托頂法施工工藝設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 自然平衡拱托頂法施工工藝設(shè)計(jì)圖Fig.3 Construction technology design drawing of natural balance arch supporting roof method

3）永久支護(hù)拱頂中部。先對(duì)拱頂中部永久支護(hù)，形成巷道永久頂板的一部分；之后采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對(duì)兩肩角斜向上側(cè)巖體進(jìn)行第一次加固，以防止下一步擴(kuò)刷肩角時(shí)局部垮塌，并作為巷道頂板支護(hù)一部分。

4）擴(kuò)刷并支護(hù)拱頂兩肩角部。①對(duì)拱兩肩部第一次擴(kuò)刷并及時(shí)永久支護(hù)：擴(kuò)刷時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可用長(zhǎng)柄工具捅、撬或刨，或用風(fēng)鎬開，或用掘進(jìn)機(jī)刨頭輕掃，盡量防止局部冒高，開夠1個(gè)支護(hù)位置立即支護(hù)，以減少懸頂和垮落；②采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對(duì)兩肩角斜向上側(cè)巖體進(jìn)行第二次加固，以防止下一步擴(kuò)刷肩角時(shí)局部垮塌，并作為巷道頂板支護(hù)一部分；③對(duì)拱兩肩部第二次分步擴(kuò)刷并及時(shí)永久支護(hù)：擴(kuò)刷時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可用長(zhǎng)柄工具捅、撬或刨，或用風(fēng)鎬開，或用掘進(jìn)機(jī)刨頭輕掃，盡量防止局部冒高，開夠1 個(gè)支護(hù)位置立即支護(hù)，以減少懸頂和垮落；④采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對(duì)兩肩角斜向上側(cè)巖體進(jìn)行第三次加固，以防止下一步擴(kuò)刷肩角時(shí)局部垮塌，并作為巷道頂板支護(hù)一部分。

5）形成斷面。依次類推，完成所有頂部支護(hù)后，完成護(hù)幫支護(hù)，逐步形成斷面輪廓，完成斷面施工，開啟下1 個(gè)循環(huán)。托頂施工法形成斷面輪廓圖如圖4。

圖4 托頂施工法形成斷面輪廓圖Fig.4 Roadway profile drawing formed by supporting roof construction method

2.2 配套技術(shù)與輔助事項(xiàng)

1）為方便現(xiàn)場(chǎng)施工，在人工開挖掘進(jìn)斷面下部分時(shí)，可由底板向上逐漸開挖，邊開挖掘邊觀察上部自然平衡拱頂位置。當(dāng)拱頂達(dá)到或略超過巷道設(shè)計(jì)頂板線時(shí)下部分停止挖掘，以此停止挖掘位置作為上下2 部分分界線，即人工開挖部分和自行垮空部分的分界線，這種由底板向上邊挖掘邊觀察拱頂位置的施工方法更切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和方便施工，可不必套用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式計(jì)算確定斷面下部人工開挖部分的高度。

2）開挖掘進(jìn)方式可用機(jī)掘或爆破，堅(jiān)持短掘短支，淺循環(huán)挖掘，機(jī)掘淺進(jìn)刀，爆破嚴(yán)格控制藥量和茬進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)自然拱肩角部如不影響使用時(shí)，可留下不開角取肩，直接支護(hù)。

3）在現(xiàn)場(chǎng)施工形成自然平衡拱托頂后進(jìn)行永久支護(hù)時(shí)，仍要做好臨時(shí)支護(hù)，嚴(yán)格敲幫問頂，嚴(yán)防頂幫零皮掉落傷人。

4）理論上斷面寬度越小，越易于控制迎頭冒漏。斷面寬度大時(shí)，可分成2 個(gè)或多個(gè)小寬度分?jǐn)嗝姘匆陨戏椒樞蚴┕?，效果?huì)更好。

5）迎頭冒漏是相對(duì)概念，破碎條件下，嚴(yán)格不超高是不可能的，只是大與小的問題。破碎條件巷道成型不是關(guān)鍵問題，滿足使用要求是前提，底線是不發(fā)生影響安全生產(chǎn)的大型冒漏，這是本法施工的一個(gè)原則。所以用本法施工時(shí)，出現(xiàn)迎頭局部超高應(yīng)視作正常。

6）自然平衡拱只是理論概念，現(xiàn)場(chǎng)形成的自然平衡拱，不一定規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，但不妨礙使用此法的原理施工。

7）本技術(shù)更適于放頂煤采面進(jìn)、回風(fēng)巷和開切眼等矩形斷面巷道，支護(hù)方式應(yīng)為錨桿錨索金屬網(wǎng)片等靈活的方式，預(yù)緊力錨固力要達(dá)到要求。預(yù)緊力錨固力達(dá)不到要求時(shí)，迎頭后方應(yīng)補(bǔ)架棚加強(qiáng)支護(hù)。

3 創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)

1）對(duì)自然平衡拱理論進(jìn)行創(chuàng)造性應(yīng)用和拓展，提出自然平衡拱2 種屬性—穩(wěn)定承載性和自行垮空性，并應(yīng)用于破碎圍巖控制領(lǐng)域。破碎圍巖巷道掘進(jìn)時(shí)，破碎巖體自然垮落形成平衡拱發(fā)生在巷道設(shè)計(jì)頂板線上方，造成頂板上方冒漏，其作用往往是負(fù)面的，其形成往往也是被迫和強(qiáng)加發(fā)生的。但任何事物都有兩面性。通過開挖斷面下部分巖體，在巷道設(shè)計(jì)頂板線下方（斷面上半部）主動(dòng)創(chuàng)造自然平衡拱，運(yùn)用拱體穩(wěn)定承載性支撐和托住了巷道設(shè)計(jì)頂板線上方破碎巖體，阻止了上覆巖體冒漏；運(yùn)用拱內(nèi)自行垮空取代了對(duì)斷面上部分巖體的人工開挖。變被迫強(qiáng)加發(fā)生為主動(dòng)積極創(chuàng)造，變消極負(fù)面作用為正面有利效應(yīng)，極大拓展了自然平衡拱理論應(yīng)用范圍，為自然平衡拱理論注入新內(nèi)涵。

2）提出自然平衡拱托頂施工法，形成包含分部施工、托頂施工、掘進(jìn)與防治一體化施工等多種施工方法在內(nèi)的掘進(jìn)巷道過破碎巖體安全快捷施工工藝，對(duì)特殊條件下井巷施工和圍巖控制有一定參考價(jià)值和啟發(fā)意義。

3）克服了常用掘進(jìn)方法迎頭易冒漏的缺點(diǎn)，解決了常用防治迎頭冒漏方法工序多、時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低的問題，將掘進(jìn)施工和防治迎頭冒漏這2 個(gè)過程合為一體，在掘進(jìn)施工中防治，在防治中掘進(jìn)施工，在防治迎頭冒漏的同時(shí)，提升掘進(jìn)速度和工效，減少防治費(fèi)用投入，實(shí)現(xiàn)了快捷掘進(jìn)以及安全和效益雙贏。

4）提出自然平衡拱2 種屬性觀點(diǎn)，提出破碎條件下掘進(jìn)施工與防治迎頭冒漏一體推進(jìn)觀點(diǎn)，提出主動(dòng)創(chuàng)造自然平衡拱、以拱體支撐頂板、以垮空代替開挖觀點(diǎn)，提出變自然平衡拱消極負(fù)面作用為積極有利效應(yīng)觀點(diǎn)，提出變自然平衡拱被迫強(qiáng)加發(fā)生為主動(dòng)積極創(chuàng)造觀點(diǎn)，以上觀點(diǎn)具有原創(chuàng)性，對(duì)破碎圍巖控制的理論和實(shí)踐具有一定的意義和價(jià)值。

4 工程實(shí)踐

同發(fā)東周窯礦井地質(zhì)條件十分復(fù)雜，構(gòu)造區(qū)和破碎帶頻繁出現(xiàn)，一段時(shí)期，掘進(jìn)迎頭冒漏時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響安全和掘進(jìn)工效，額外增加投入。近年來，利用自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)，迎頭冒漏大幅降低，掘進(jìn)速度和工效明顯提升，處理冒漏費(fèi)用日益減少，高效保障了安全生產(chǎn)。

5206 巷為綜采放頂煤面通風(fēng)巷，沿煤底掘進(jìn)，機(jī)掘工藝，矩型斷面，巷寬5 m，巷高3.8 m，頂煤厚8～9 m，正常條件頂板支護(hù)方式為鋼筋網(wǎng)錨桿鋼帶單點(diǎn)錨索。2020 年6 月20 日—2020 年6 月25 日，掘進(jìn)在里程659～696 m 一段受節(jié)理裂隙發(fā)育和破碎帶影響，頂煤破碎難以留住，用自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)，消除和控制了迎頭冒漏，僅用6 d 時(shí)間就安全快速通過破碎區(qū)，比常用掘進(jìn)方法和常用防治迎頭冒漏方法減少工時(shí)3 d，節(jié)約高分子材料加固費(fèi)用約15 萬元。采用由底板逐漸向上邊挖掘邊觀察拱頂位置的挖掘工藝，當(dāng)下部分高度開挖至距底板以上高2 m 時(shí)，上部分破碎煤體自然垮落，中部冒高1.8～2.0 m，形成不規(guī)則自然平衡拱，拱頂中部正好位于巷道設(shè)計(jì)頂板線位置。穩(wěn)定拱體形成后，敲幫問頂并臨時(shí)支護(hù)，之后對(duì)拱頂中部1 m 寬范圍進(jìn)行永久支護(hù)，先用鋼筋網(wǎng)片掛單點(diǎn)錨桿支護(hù)，屈服強(qiáng)度500 MPa 高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格?22 mm×2 400 mm，450 mm×280 mm×3 mm短W 型鋼帶，150 mm×150 mm×10 mm 小鋼托盤，全長(zhǎng)錨固[15-16]，排間距視現(xiàn)場(chǎng)條件以500～700 mm靈活布設(shè)，預(yù)緊扭矩400 N·m，設(shè)計(jì)錨固力190 kN；之后在頂中央打設(shè)1 組3 眼組合錨索支護(hù)，錨索規(guī)格?21.8 mm×8 300 mm，600 mm×600 mm×16 mm 鋼板托盤，預(yù)緊力290 kN，設(shè)計(jì)錨固力520 kN。完成中部永久文護(hù)后，在左右兩側(cè)傾斜向上55°～75°打設(shè)斜拉全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)兩肩角上部斜拉加固，為擴(kuò)刷肩角部做準(zhǔn)備；之后，用掘機(jī)刨頭輕掃擴(kuò)刷兩肩角部，每次擴(kuò)刷寬不超1 m，以頂部不垮落為準(zhǔn)；擴(kuò)刷肩角部后完成第一次肩角部永久支護(hù)；重復(fù)以上斜拉加固支護(hù)、擴(kuò)刷肩角部、永久支護(hù)工序，逐步形成巷道斷面輪廓。重復(fù)以上工藝直至通過破碎區(qū)。

5 結(jié) 語

1）自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)，克服了常用掘進(jìn)方法迎頭易冒漏和常用防治迎頭冒漏方法工序多、時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低的弊端，改進(jìn)常用掘進(jìn)方法和常用防治迎頭冒漏方法掘進(jìn)施工與防治迎頭冒漏分離的缺點(diǎn)，集掘進(jìn)施工和防治迎頭冒漏于一體，在掘進(jìn)施工中防治，在防治中掘進(jìn)施工，既防治了迎頭冒漏，又提升了掘進(jìn)速度和工效，減少了防治費(fèi)用投入，實(shí)現(xiàn)了快捷掘進(jìn)以及安全和效益雙贏，是被實(shí)踐證明了的高效解決破碎迎頭冒漏問題的一種行之有效的掘進(jìn)技術(shù)。

2）自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進(jìn)技術(shù)，對(duì)自然平衡拱理論進(jìn)行創(chuàng)造性應(yīng)用和內(nèi)涵式拓展，提出自然平衡拱的2 種屬性—穩(wěn)定承載性和自行垮空性，并應(yīng)用到破碎圍巖控制領(lǐng)域。提出分部施工、托頂施工、掘進(jìn)與防治一體化施工等安全快捷施工工藝，提出掘進(jìn)施工與防治迎頭冒漏一體推進(jìn)觀點(diǎn)，提出分部開挖巖體主動(dòng)創(chuàng)造和利用自然平衡拱觀點(diǎn)，提出用拱體托住上覆破碎巖體、用拱內(nèi)自行垮空取代人工開挖觀點(diǎn)，提出變自然平衡拱強(qiáng)迫發(fā)生為主動(dòng)創(chuàng)造、變自然平衡拱負(fù)面作用為有利效應(yīng)觀點(diǎn)，以上觀點(diǎn)和工藝，具有創(chuàng)新性，極大拓展了自然平衡拱理論應(yīng)用范圍和內(nèi)涵，對(duì)破碎圍巖控制具有一定理論和實(shí)踐意義。