山西麻家梁矿复杂条件下巷道掘进支护方案

2018-04-12郝莹

现代矿业 2018年3期

郝　莹

(山西宏宇诚铸建设工程有限公司)

矿井巷道在掘进期间，由于设计不合理或出于最大限度利用煤炭资源的目的，经常出现2条同一标高巷道交叉贯通现象[1-4]。采用贯通施工方式时不仅降低了巷道掘进效率，而且影响了采区生产，对于特殊巷道(如回风巷)在交叉贯通时经常出现通风系统紊乱现象，威胁了井下通风安全[5-6]。因此，为确保巷道安全掘进，避免巷道掘进影响井下生产安全，在复杂条件下进行巷道掘进施工时，应选择恰当的施工方案及相应的支护措施。本研究以山西麻家梁矿14402运料斜巷为研究对象，对巷道掘进施工过程中主要存在的支护技术难点进行分析，并对合理的联合支护方案进行设计和应用。

1　工程概况

麻家梁矿位于山西省朔州市南部，井田面积104.287 7 km2，矿井设计生产能力为12 Mt/a，设计服务年限为82 a[1-2]。14106工作面位于井田一采区，工作面东部为14105工作面，南部为665 m水平大巷，分别为水平回风大巷、水平辅助运输大巷以及水平胶带输送机大巷，且3条大巷位于同一水平同一标高。目前14106回风顺槽已施工到位，14106运输顺槽系统巷已施工完毕。为便于14106运输顺槽后期施工期间运料及行人，根据矿方设计方案将施工1条运料绕道即14106运料斜巷(图1)。

图1　麻家梁矿一采区14106运料斜巷布置示意

14106运料斜巷从西辅助运输大巷开口并以60°夹角沿煤层顶底板平行掘进，运料斜巷设计长度为86 m，巷道断面规格为4.0 m×3.2 m(宽×高)，巷道顶底板岩性以碳质泥岩及粉砂岩为主，煤岩层相对松软。当14106运料斜巷掘进44 m后将与水平回风大巷贯通，根据麻家梁矿地测科提供的地质资料显示，在运料斜巷与水平回采大巷贯通点将遇到1条正断层，断层对两巷贯通时煤壁及顶板稳定性的影响较大。为避免两巷贯通后出现风流紊乱现象，本研究对14106运料斜巷采用近距离煤层过巷掘进施工工艺。该巷道掘进施工中存在的主要技术难点为：

(1)14106运料斜巷从655 m辅助运输巷以6°俯角下山掘进，当巷道掘进49 m后进入655 m水平回风巷下方，此时两巷层间距为1.7 m，矿方提供的地质资料显示两巷之间的煤岩夹层岩性以碳质泥岩为主，该岩层不稳定，易破碎，在巷道施工过程中无法预留。麻家梁矿掘进巷道顶板普遍采用锚杆、锚索联合支护方案[7-9]，锚杆长度为2.5 m，锚索长度为5.3 m，可见在过巷期间传统的锚杆、锚索支护方案无法实施。

(2)14106运料斜巷过巷后以8°仰角继续掘进，当巷道掘进37 m后与14106运输顺槽贯通，由于运料斜巷在贯通时与14106运输顺槽成30°夹角，受采动压力影响，在贯通口处14106运料斜巷与运输顺槽之间的三角煤柱无法预留，三角煤柱出现垮落现象，垮落长度达3.5 m，最宽处达3.3 m，造成贯通处顶板空顶面积达4.6 m2，极易发生顶板垮落事故，传统的护帮支护工艺对三角煤柱的维护效果很不理想。

2　巷道掘进支护方案

2.1　过巷前支护

为提高过巷段施工巷道顶板的稳定性，在14106运料斜巷过巷前，在水平回风巷设计位置进行起底、铺设钢梁并浇筑施工人工复合顶板进行支护。当14106运料斜巷施工至距水平回风巷边界煤柱5 m处时，巷道停止掘进，并在水平回风巷指定位置进行起底，施工基础坑，起底位置位于14106运料斜巷正上方，具体位置以麻家梁矿地测科给定的信息为准。水平回风巷起底长度为5.5 m，起底宽度为巷宽即4.0 m，起底深度为1.7 m，起底到位后必须确保基础坑地面平整(图2)。巷道起底后在基础坑内依次铺设金属网、11#工字钢梁，钢梁沿水平回风巷走向布置，钢梁长度为5.5 m，钢梁铺设间距为0.2 m，起底处共铺设20根钢梁。当工字钢梁铺设完毕后对基础坑进行浇筑，浇筑时采用强度为C25型混凝土，水泥、砂子、石子配比为1∶2∶2，在浇筑时必须采用振动泵对其进行搅拌。为确保整个浇筑面凝固后更加牢固可靠，当起底处混凝土的浇筑厚度达到0.2 m后对基础坑预埋螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.0 m，每排施工3根，共施工3排，锚杆间距为1.5 m，排距为2.0 m(图2)。锚杆埋设后继续进行混凝土浇筑直至与水平回风巷底板齐平，当整个基础坑浇筑后所有预留锚杆外露长度为0.2 m，在水平回风巷两帮进行掏槽，掏槽后铺设固定钢梁，固定钢梁与水平回风巷垂直布置，固定钢梁长度为4.5 m，共铺设3根，每根固定钢梁焊有3个圆孔，孔径为25 mm，固定钢梁铺设后与预留锚杆采用螺母进行预紧，预紧力不宜小于200 N·m。

2.2　过巷期间支护

为进一步提高过巷期间施工巷道顶板的稳定性，14106运料斜巷在过巷期间，采用架设密集工字钢棚进行顶板维护。当14106运料斜巷掘进至距水平回风巷边界煤柱3 m处时，开始架设密集工字钢棚，钢棚间距为1.0 m，直至施工巷道完全过巷3.0 m后停止架设钢棚，巷道内共架设10架工字钢棚。工字钢棚主要由棚腿、顶梁以及钢棚底座组成，每根棚腿由2节U29型钢梁组成，且能上下拉伸，最大拉伸长度为4.0 m，顶梁主要由长为3.8 m的11#槽钢制成。由于14106运料斜巷过巷期间底板岩性以泥岩及煤层混合岩层为主，底板相对松软，为确保工字钢棚架设稳定，在架棚前需对棚腿位置进行起底，起底规格为0.4 m×0.2 m(宽×深)，起底后应及时将棚腿埋入并采用混凝土浇筑。底座浇筑稳固后开始安装棚腿，棚腿与底座之间采用固定销进行连接，棚腿与棚腿之间对接后采用卡缆固定。钢棚棚腿安装后将11#槽钢顶梁与棚腿顶端卡槽进行对接，并采用抱箍固定，顶梁安装后确保顶梁与人工复合顶板之间预留0.1 m间隙。第1架钢棚架设完毕后依次架设第2架、第3架，且施工工艺相同。为确保钢棚能够全断面支护顶板，待所有钢棚架设完毕后在相邻3架钢棚顶梁之间交错安装4根11#工字钢纵梁，且垂直于顶梁布置，纵梁长度为2.5 m，纵梁安装后确保与顶板接触严实。为保证钢棚架设稳固，提高钢棚联锁保护作用，在相邻2架钢棚之间采用2组拉杆进行固定，并且对每1架钢棚棚腿采用U型钩与巷帮进行固定。

2.3　贯通口处三角煤柱预留措施

本研究采用人工支盒浇筑方法预留巷道贯通口处的三角煤柱[10-12]。当14106运料斜巷与14106运输顺槽贯通后，在三角煤柱垮落区支设9根长度为3.2 m(巷高)、直径为300 mm的圆木柱，最宽处支设3根木柱，最窄处支设1根木柱，木柱支设成三角形状，相邻2根木柱间距为1.0 m。为确保人工预留三角煤柱能与实体煤柱形成整体，最宽处木柱支设完毕后，对实煤体施工2排锚杆，每排施工3根，锚杆间排距为1.0 m×1.2 m，第1排锚杆施工于距顶板1.0 m处(图3)。所有木柱支设完毕后，采用木板进行人工支盒子，木板长度为3.5 m，宽度为0.3 m，当盒子高度达到1.0 m时，应及时进行混凝土浇筑，浇筑到位后继续支设盒子，依此类推，直至与巷道顶板浇筑严实。浇筑混凝土由水泥(325#普硅水泥)、砂子、石子按1∶2∶2配比制成，浇筑后的混凝土强度不宜低于C20，在浇筑期间须用振动泵进行震动严实。

图3　14106运料斜巷贯通口处人工预留三角煤柱示意(单位：mm)

3　支护效果

(1)14106运料斜巷在过巷掘进期间通过采用起底、浇筑施工人工复合顶板以及架设钢棚的支护方案有效保证了巷道安全快速施工，通过现场施工发现，该施工工艺简单，整个工序仅用1.5 d即可完成，同时与传统巷道直接贯通后施工风桥相比，该方案有效降低了支护费用，预计可节约成本达12万元。

(2)14106运料斜巷施工完毕后分别在巷道过巷段前后2 m位置各安装了1台Y-23型数字显示顶板离层仪对过巷段围岩变形情况进行观察，通过1个月观察数据统计分析发现，施工人工复合顶板及架棚后，过巷段附近顶板岩层未出现变形、破碎现象。

(3)在巷道贯通口处人工预留三角煤柱后，阻止了三角煤柱垮落面积进一步扩大，通过对贯通口处离层仪的监测数据进行分析发现，贯通口处顶板最大下沉量为50 mm且稳定后不变，顶板往上10 m范围内未出现离层、破碎现象，人工预留三角煤柱后有效避免了因三角煤柱垮落致使顶板空顶面积大、顶板压力集中而造成贯通口处顶板破碎、变形、冒顶事故的发生。