山西塔山煤矿近距离软岩煤层巷道掘进技术方案

2018-05-09梁建义

现代矿业 2018年4期

梁建义

(山西宏宇诚铸建设工程有限公司)

为进一步提高巷道掘进效率，减少巷道开挖量，确保巷道施工安全，交叉巷道在施工时一般选择近距离煤层过巷掘进工艺。由于软岩煤层过巷掘进施工时常受到煤层地质条件的影响，巷道过巷掘进时若不采取合理有效的施工工艺及支护措施，不仅不利于巷道快速掘进施工，而且在过巷段近距离软岩煤层难以预留，加大了巷道过巷施工难度，甚至会发生重大煤矿顶板安全事故。本研究以塔山矿三盘区5307巷为研究对象，对巷道反掘构筑通风系统时采用过巷掘进施工工艺代替传统风桥挑顶施工方法[1-4]，在过巷期间根据实际生产情况采取合理的施工工艺及支护措施，确保该巷道在近距离软岩煤层中得以安全、快速施工。

1 工程概况

塔山矿三盘区回采煤层为2#、4#煤层，两煤层间距为17 m(4#煤层位于2#煤层之上)，目前三盘区采掘工作面主要布置于4#煤层内，2#煤层仅布置1条井田主运输大巷。4#煤层属石炭系软岩煤层，平均厚度为6.5 m，煤层发育不稳定，煤层紧固系数f<1.0。4#煤层直接顶岩性主要为碳质泥岩，平均厚度为5.5 m，基本顶岩性以粗砂岩为主，平均厚度为11.4 m。

5307巷位于三盘区4#煤层西翼，巷道设计长度为1 700 m，巷道断面规格为4.0 m×3.5 m(宽×高)，施工巷道北部、南部为实煤区，东部布置2条盘区大巷(盘区辅运巷、盘区回风巷)，西部布置2条西翼大巷(西翼皮带巷、西翼运输大巷)，相邻2条巷道之间的保护煤柱宽度为45 m(图1)。盘区辅运巷以70°夹角开口施工5307运料斜巷，运料斜巷设计长度为80 m，斜巷施工到位后按设计施工1条运输联巷，构筑5307巷掘进运输系统，同时5307巷按反方向掘进与盘区回风巷贯通，形成通风系统，待运输系统、通风系统完全形成后再掘进5307正巷。

图1 5307巷平面布置示意

5307巷在反掘施工通风系统时，需与盘区辅运巷贯通，而后从盘区辅运巷开口继续掘进施工辅回联巷直至与盘区回风巷贯通，贯通前在盘区辅运巷指定位置构造风桥。由于该施工方案巷道掘进量大，且与辅助运输巷贯通以及构筑风桥时影响辅运巷运输、行人等，因而本研究采用5307巷近距离煤层过巷掘进施工工艺代替传统的巷道贯通及风桥施工方法，在过巷期间两巷之间预留的煤层厚度为2.2 m，由于盘区辅运巷断面为拱形，巷道断面规格为5.0 m×4.5 m(宽×高)，因此两巷之间预留的岩体主要为煤层。

2 近距离软岩煤层过巷掘进施工流程

为保证5307巷道过巷掘进施工安全，采用分层留底过巷掘进施工工艺，即施工巷道上分层采用大断面爆破掘进工艺，下分层采用人工起底方法[5-8]。施工流程为：①5307运料斜巷施工到位后，按设计进行反掘施工构筑5307巷通风系统，当巷道反掘至A点(距辅运巷55 m)时，施工巷道按7°仰角上山掘进，采用全断面光面爆破施工工艺，在上山掘进期间顶底板坡度变化应保持一致，确保巷道高度保持不变；②当5307巷上山掘进至B点时，施工巷道与盘区辅运巷水平间距为5.0 m，两巷层间距为2.0 m，且以煤层为主，此时停止上山掘进施工，采用分层留底平行掘进施工工艺；③5307巷在过巷段采用分层留底掘进施工工艺时，上分层掘进断面规格为4.0 m×2.5 m(宽×高)，下分层留底厚度为1.0 m；④过巷期间上分层采用松动爆破掘进施工工艺，工作面布置3排松动爆破孔，炮孔深度为1.0 m，炮孔采用正向装药方式，每个炮孔填装1支三级矿用乳化炸药，装药量为300 g，装药后对炮孔进行水炮泥封孔处理，封孔长度不宜小于0.5 m，每次爆破孔数量为4个，每茬掘进量不宜超过0.8 m；⑤当5307巷上分层松动爆破掘进至C点(过辅运巷2.0 m)后停止施工，对下分层底煤进行起底，起底时严禁进行爆破施工，应采用风镐、洋镐进行人工起底，起底厚度为1.0 m，起底后确保巷道高度不宜小于3.5 m；⑥5307巷过巷掘进5.0 m后采用下山掘进施工工艺，掘进坡度为10°，当巷道下山掘进35 m后施工巷道与盘区回风巷位于同一标高时，采用平行掘进方法，且掘进10 m后与回风巷贯通，此时5307巷通风系统构筑完毕。

3 联合支护方案设计及应用

由于5307巷过巷掘进施工期间，需在施工巷道安装胶带输送机及耙岩机等重型机械设备，而过巷时两巷层间距仅为2.2 m，为保证巷道施工安全，避免发生顶板垮落事故，本研究对5307巷过巷段施工复合底板，对盘区辅运巷相应顶板架设密集U29型工字钢棚进行支护[9-12]。

3.1 人工复合底板施工

5307巷下分层人工起底后，继续对施工巷道过巷段底板进行起底施工基础坑，基础坑规格为7.0 m×5.0 m×0.5 m(长×宽×深)，起底后须确保长度超过盘区辅运巷巷帮煤柱2.0 m，宽度超过5307巷两帮煤柱1.0 m。基础坑施工完毕后，在基础坑内依次铺设金属网、2层密集工字钢梁，第1层工字钢梁与5307巷平行布置，钢梁长度为7.0 m，相邻2根钢梁间距为0.2 m，共铺设25根钢梁。第2层工字钢梁与第1层工字钢梁垂直布置，第2层钢梁长度为5.0 m，钢梁间距为0.5 m，共铺设14根，2层钢梁采用连接螺母固定。为保证2层密集工字钢梁铺设牢固，在5307巷距巷帮0.5 m处顶板各施工1排起重锚索，每排施工3根，锚索间距为4.0 m，采用起重锚索对2层密集工字钢梁进行悬吊(图2)。密集工字钢梁悬吊后，对基础坑进行混凝土浇筑，混凝土配比为2∶2∶1(砂子:石子:水泥)，浇筑时须采用振动泵对浇筑区域震动严实，浇筑后的混凝土强度不宜低于C25。

图2 5307巷过巷掘进支护断面示意

3.2 密集U29型工字钢棚架设

为进一步增强复合底板的稳定性，在三盘区辅运巷过巷段架设密集U29型工字钢棚。该型钢棚主要由2节长度为2.0 m的棚腿，2节长度为2.83 m的圆弧顶梁和1节长度为2.18 m的圆弧顶梁组成(图2)。在盘区辅运巷距5307巷帮2.0 m处开始架设U29型钢棚，直至过5307巷2.0 m后停止架设，共架设18架U29型钢棚，钢棚间距为0.5 m。首先在盘区辅运巷底板安装棚腿，为保证棚腿安装平稳牢固，在棚腿下端焊接1个规格为0.3 m×0.3 m×0.05 m(长×宽×厚)钢托板，钢托板与底板采用地锚进行固定。待2节棚腿安装后，开始进行人工安装顶梁，顶梁与棚腿之间以及顶梁与顶梁之间采用卡槽进行对接式安装，对接长度不宜小于0.5 m，对接后在接头处采用卡缆进行固定预紧，卡缆螺母的预紧力不宜小于200 N·m。为保证U29型钢棚架设稳定，在钢架棚腿处施工1根长度为1.0 m固定锚杆，将其与巷帮进行锚固，在顶梁处施工1个长度为1.5 m的固定锚索，将其与顶板进行锚固。为确保相邻2架钢棚之间具有相互联锁保护作用，相邻2架钢棚采用3根连接套杆进行连接。为保证U29型钢棚架设后能够与顶板接触严实，在钢棚与顶板及巷帮间隙处填塞水泥背板，水泥背板长度为1.2 m，宽度为0.3 m。

4 应用效果

5307巷在施工期间，本研究通过采用过巷掘进施工工艺代替传统的巷道贯通、风桥挑顶施工方法，减少巷道开挖量达1 400 m3，且提前8 d形成了5307巷通风系统，缩短了巷道掘进周期。在过巷掘进施工时仅需安装1部SSJ-800型带式输送机及P60-B型耙岩机即可完成煤矸石运输任务，减少了机电设备的安装数量。

近距离软岩煤层过巷掘进施工时采用分层留底法掘进，保证了巷道安全稳定，避免了大断面巷道爆破施工时受振动及煤矸石重量的影响，而引发过巷底板垮落事故。5307巷采用该方法仅用2.5 d便完成了过巷掘进任务，平均进度达3.5 m/d，大大提高了近距离煤层巷道的掘进效率。

5307巷在近距离煤层过巷期间，在上标高巷道底板施工人工复合底板，在下标高巷道架设U29型工字钢棚进行联合支护后，本研究对该区域薄煤层的变形情况进行了3个月监测。结果表明：第1个月内由于薄煤层处应力未完全重新分配，顶板下沉量变化较大，下沉量为0.2m；第2个月内顶板下沉量变化较小，下沉量为0.05m；第3个月内顶板变形处于稳定状态，下沉量为0。可见，过巷段联合支护方案的应用大大提高了薄煤层顶板稳定性，保证了巷道施工安全，解决了近距离软岩煤层顶板维护难度大、维护效果不理想等难题。