厚煤层巷道沿底上山掘进锚网支护技术实践

2018-05-04张庆华

中国煤炭 2018年4期

张庆华

(开滦(集团)有限责任公司唐山矿业分公司，河北省唐山市，063000)

厚煤层工作面采用放顶煤开采方式，其回采巷道布置为沿煤层底板掘进施工，保留顶煤。在掘进过程中，由于煤层的赋存条件的变化、煤层倾角较大、煤体松散破碎等原因，若支护不好不仅影响巷道掘进速度，增加后期维护费用和影响使用效果等，而且对施工人员的人身安全构成了较大威胁，给施工带来很大困扰。唐山矿Y396切眼掘进过程中，通过对现场巷道支护分析研究与实践，有效解决了厚煤层沿底上山掘进巷道支护的安全问题。

1 工程概况

Y396切眼位于唐山矿岳胥区13水平，巷道长度155 m。煤层最大倾角32°，平均倾角23.1°；煤层平均厚度9.9 m，根据附近工作面工程揭露及附近钻孔资料分析该工作面处于8、9号煤层分区，夹石厚度0.2～4.0 m，岩性为黑色碳质泥岩，煤层结构复杂，对煤层开采有一定影响。煤层老顶为深灰色细砂岩，成份以石英为主，较坚硬，平均厚度4.7 m；直接顶为深灰色粉砂岩，平均厚度4.6 m；直接底为黑灰色碳质泥岩，平均厚度1.5 m，老底为深灰色粉砂岩，平均厚度7.45 m。

2 巷道支护技术

2.1 支护方式确定

在巷道掘进支护方式方面，唐山矿主要采用锚网支护或架棚支护。若采用架棚支护，该支护方式运输材料工作量大，需要配置人员多，劳动强度大，人力物力消耗大，同时架设金属拱形棚子笨重作业方式以及沿底上山巷道操作等问题，给掘进施工带来了很大的安全隐患。若采用锚网支护方式，在掘进煤层的赋存条件变化大、煤层倾角较大、煤体松散破碎等情况下，不能有效控制巷道掘进头煤壁劈帮和防止煤层顶板离层冒落。为确保支护方式合理，经综合分析采用锚网支护。

2.2 断面形状选择

Y396切眼沿煤层底板掘进，留顶煤，采用矩形断面，巷道掘进宽4.5 m，高3 m。巷道顶部采用微拱形，以便提高煤顶的稳定。考虑到巷道顶煤会发生整体下沉，采用微拱后，随着顶煤下沉逐渐为平顶，若掘出的巷道为平顶，当顶煤下沉后，出现顶部下弯而不利于煤顶稳定，设计的顶部微拱高度200～300 mm，因此巷道掘进要求断面高度为3.3 m。

2.3 锚网支护参数确定

2.3.1 顶板支护技术

采用锚杆+钢带+金属网、锚索补强支护。顶部使用7个长度为4.5 m的W型钢带；布置7根ø20 mm×2200 mm右旋等强螺纹钢锚杆，采用CK2333型树脂药卷锚固，采用0.9 m×5.0 m的12#铅丝编制的菱形金属网。顶板锚杆排距为700 mm，如遇地质变化、顶板压力大等时缩小排距。中间的顶板锚杆要垂直于顶板施工，轴向偏差≤5°，每排两侧的顶锚杆与顶板法线方向巷帮侧倾斜20°～30°。顶锚杆锚固力达到70 kN，螺母扭紧力矩达到100 N·m。

同时采用锚索补强支护。锚索采用直径17.8 mm、长度为10 m的1×7股高强度低松弛预应力钢铰线。在巷道内每两排布置一根锚索，交错布置，锚索间距1.4 m，距相邻巷帮1.4 m。锚索的锚固端进入稳定岩层的深度不得小于1.5 m，拉胀预紧力达到100 kN以上。

2.3.2 巷帮支护技术

采用锚杆+托盘+网协同支护，如图1和图2所示。两帮每排布置4根ø20 mm×2200 mm右旋等强螺纹钢锚杆，托盘使用尺寸为200 mm×200 mm×40 mm的木板；使用1.7 m×3.0 m的12#铅丝菱形金属网。帮锚杆呈五花眼均匀布置，最上一排距顶板不大于300 mm，最下一排距底板不大于500 mm，中间排距800～1000 mm，如果超规定要补打帮部锚杆，锚杆角度要垂直煤壁，靠近顶、底的两根锚杆分别与水平线上仰、下倾呈10°～15°夹角。帮锚杆锚固力为40 kN，螺母扭紧力矩达到60 N·m。

图1 Y396切眼锚网支护示意图(断面图)

图2 Y396切眼锚网支护示意图(锚索布置图)

3 厚煤层巷道沿底上山掘进支护技术及施工对策

3.1 支护技术

巷道掘进支护技术直接关系巷道施工的支护质量。根据地质条件及顶、底板围岩性质参数等，同时参照本煤层相邻巷道锚网支护设计和掘进施工实践经验，对该巷道顶煤冒落范围进行分析计算，顶煤潜在冒落拱范围很大，不论是按悬吊理论作用布置还是按加固拱理论作用布置，用常规的锚网支护均难以奏效，针对厚煤层沿底上山巷道掘进，改进锚网施工支护技术。

3.1.1 顶部锚杆

顶部锚杆垂直于水平面施工，其投影方向均垂直于水平面，同时增加顶锚杆的长度和直径，锚杆规格由ø20 mm×2200 mm改为ø22 mm×2400 mm。

3.1.2 两帮锚杆

如果两帮煤体较为破碎，矿压显现时，帮部锚杆加打帮部钢带，钢带采用2.3 m长的W型钢带，以提高对巷帮的支护强度；矿压显现较大时可打帮部锚索。

3.1.3 顶部锚索

锚索垂直于水平面施工，同时增加顶部锚索的数量和长度，数量由原每两排一布置变为一排一布置，长度由10 m增加到12 m，保证加长的锚索使其进入稳定岩层的深度不得小于1.5 m，如图3所示。

图3 Y396切眼沿底上山掘进巷道锚网支护示意图

3.2 施工对策

3.2.1 掘巷(炮掘)管理

厚煤层巷道上山掘进施工，煤层倾角大，施工方式采用炮掘。由于厚煤层巷道沿底板掘进，巷道上部为煤顶，放炮后煤层顶板面经常不平整，施工时合理布置好炮眼，掘进头煤壁中上部适当少打眼少装药，放炮后巷道掘进头煤层顶凸凹不平处使用手镐刷平齐。施工过程中可寻找一个稳定层面，顺煤层内稳定面施工。

3.2.2 临时支护

临时支护材料为2根长1.5 m的槽钢前探梁，提前准备好支护使用的钢带和金属网。每次放炮掘出荒断面后，及时做好有效的临时支护。将双金属前探梁移到迎头打好的末排钢带锚杆上，使双金属前探梁上托住钢带+金属网超前支护好荒断面空顶范围顶板，在双前探梁托钢带+金属网临时支护下，尽量缩短上顶空顶时间，及时进行打顶锚杆，做好巷道的永久支护。

3.2.3 超前支护

每次放炮掘出荒断面后，若迎头煤壁及两帮煤体破碎、不稳定，在做好顶部临时支护后，及时打超前锚杆控制迎头煤壁，防止煤壁劈帮冒落。超前锚杆根据现场迎头煤体稳定及破碎情况合理布置，确定好超前锚杆的位置和数量，往前掘进发现超前锚杆失效及时补打。煤体极不稳定时，顶部锚杆前方迎头及两帮可采取挂网临时封好。

3.2.4 锚杆施工

按照开滦集团公司制订的《安全技术操作规程》规定，控顶距为永久支护至迎头煤壁最大距离不大于设计排距加0.3 m。锚网支护正常排距为0.7 m，即每循环施工设计最大控顶距为1 m。第一次放炮施工时，掘进量为1 m，在巷道上顶先做好 0.7 m锚网支护，还剩下0.3 m巷道上顶未支护，下次放炮施工时，掘进量为0.7 m，将前探梁前移至巷道迎头做好临时支护，及时做好0.7 m巷道上顶的锚网支护，始终保证巷道最大控顶距不大于1 m，依次类推进行锚网支护施工。Y396切眼沿底上山掘进锚网支护施工示意图如图4所示。

巷道掘进迎头始终存在的不超过0.3 m的空顶范围是锚杆机操作的空间。为了利于施工人员操作锚杆机打锚杆，迎头3～5 m范围巷道留浮煤制作平台，高度距上顶2 m，煤壁越高越易于劈帮。锚杆机施工高度不够时可提前在支腿脚预留位置挖一个坑，每次锚杆机的支腿紧靠迎头煤壁，始终保持锚杆机的支腿与平台面垂直，才能保证锚杆机更好地运转。操作时有专人观山指挥，人员不许进入空顶区进行工作，人员站位不得背靠煤壁侧，发现顶板及其他问题将立即停止作业。

图4 Y396切眼沿底上山掘进锚网支护施工示意图

3.2.5 监测管理

施工巷道开头点安设一个顶板离层仪，每掘进50 m安设一组锚杆测力计、顶板离层仪等，加强监测设备观测，对巷道顶板的下沉量、巷道变形量、锚杆支护效果等进行日常动态监测，并做好记录。同时加大检查巷道锚网支护施工质量，对锚杆施工不符合技术要求，或是矿压显现导致锚杆失效、托盘变形等时，及时采取措施，保证掘进巷道顶板安全。

4 施工巷道支护效果

在Y396切眼上山掘进过程中，现场经过不断分析研究和施工实践，及时改进支护技术和制定施工对策，有效控制巷道掘进头煤壁劈帮和防止顶板离层冒落，保证了巷道顺利安全掘进施工。通过现场观测，巷道掘进和后期巷道表面收敛情况、围岩深部位移、顶板离层情况、锚杆锚索受力状态进行了系统观测和总结。结果表明，厚煤层沿底上山巷道在锚杆锚索联合支护条件下，虽然巷道矿压显现明显，尤其是在回采安装期间，巷道变形量仍然较大，针对这种情况，在巷中加密锚索补强支护，支护效果较好。