穿层巷道掘进施工工艺研究

柴俊涛

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西 大同 037003）

1 概况

大同煤矿集团雁崖煤业公司三盘区回采煤层为山西组4#煤层（山4#层）以及太原组2#煤层（2#层），各煤层平均厚度为3.5m，两煤层间距为18m且主要为炭质泥岩与粉砂岩混合层为主。西翼皮带巷设计长度1200m，巷道断面规格为宽×高=4.5×3.5m，巷道从2#层皮带巷开口施工，并7°仰角上山掘进，当巷道上山掘进150m后与山4#煤层贯通，然后继续掘进32m，施工巷道沿山4#煤层平行掘进，施工巷道上山掘进阶段采用爆破施工工艺。

西翼皮带巷上山掘进阶段采用爆破施工工艺，巷道顶板采用“W”型钢带、金属网、锚杆、锚索联合支护，顶板钢带规格为长×宽=4.2×0.25m，钢带垂直巷道布置，间距为1.0m；顶板锚杆采用长度为2.5m，直径为22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排布置5根，锚杆间距×排距=0.9×1.0m；顶板锚索采用长度为5.0m、直径为17.8mm预应力钢绞线，每排施工3根，锚索间排距为间距×排距=1.6×3.0m。

由于巷道上山掘进穿层阶段顶板压力较大，为了保证巷道安全掘进，对巷道穿层阶段主要存在的技术难题进行预先分析，采用合理有效的穿层施工工艺及支护措施。

2 巷道穿层期间的困难

（1）由于三盘区掘进煤层为石炭系煤层，煤层发育不稳定，呈破碎状，煤层普氏系数f＜2.0，单轴抗压强度6.7～8.4MPa，煤体承载能力差。西翼皮带巷在与山4#煤层贯通后上山掘进时，巷道顶板破碎现象严重，易发生局部冒落。

（2）西翼皮带巷以7°仰角上山掘进，巷道与山4#煤层贯通时顶板压力相对较大，顶板应力垂直向下，而顶板支护体与顶板斜面垂直布置，支护体支护分力小于顶板垂直应力，无法满足支护要求，顶板很容易发生局部垮落。

（3）巷道在与山4#煤层贯通期间以及沿4#煤层上山掘进期间，顶板煤岩体厚度不断发生变化，巷道顶板原支护体在局部区域锚固端位于煤体或煤岩体交界处，支护体锚固质量差，一旦顶板压力加大，顶板离层、破碎时，支护失效现象严重。

3 巷道穿层施工工艺

为了防止巷道穿层期间及穿层后上山掘进时顶板应力大、发生顶板局部垮落事故，通过技术研究，决定采用台阶法上山掘进。台阶法上山掘进主要是在巷道上山掘进期间通过施工顶板平段，将整个上山掘进段分成若干个掘进斜巷，并及时对顶板采取合理有效的支护措施，从而缓解了顶板压力集中现象，避免顶板垮落事故发生。

西翼皮带巷上山掘进150m处且揭露山4#煤层时开始施工第一个平段，平段设计长度为5m，平段施工期间严禁空顶作业，及时补打支护。

当第一个平段施工完后，巷道继续以7°斜坡上山掘进。当巷道上山掘进长度为8.0m时施工第二个平段，施工工艺及支护工艺与第一个相同。依次类推，直至巷道揭露山4#煤层顶板后沿煤层顶底板平行掘进。

西翼皮带巷与山4#煤层贯通，共施工4个平段。

4 穿层期间支护工艺

4.1 平段掘进期间补强支护

巷道平段施工期间，顶板采用密集锚索吊棚作为加强支护，每架锚索吊棚主要由三根长度为8.0m、直径为17.8mm预应力钢绞线以及一根长度为4.0m工字钢梁组成，锚索吊棚垂直巷道布置，间距为1.0m。

4.2 注浆支护

对破碎顶板施工注浆钻孔，注射高强度粘剂，提高破碎顶板稳定性及承载能力，降低顶板事故率。

（1）巷道第一个平段施工完后，在工作面距顶板1.0m处施工一排注浆孔，共计四个，注浆孔深度为5.0m，直径为45mm，间距为1.0m，注浆孔以45°仰角布置。

（2）注浆孔施工完后，采用专用注浆泵向孔内注射马丽散与催化剂配比为1:1的浆液，待煤壁出现浆液渗透时及时停止注浆，并采用水泥砂浆进行封孔。

（3）注浆施工完3h后方可继续掘进，当巷道掘进4.0m后施工第二排注浆孔，每个平段间斜巷顶板共施工两排注浆孔。

4.3 超前锚杆支护

超前锚杆支护主要在巷道设计顶板位置施工一组加强锚杆支护体，巷道在掘进期间可以起到超前支护作用，避免顶板大面积垮落事故发生。

（1）巷道掘进150m后在穿层斜巷段设计顶板位置施工一排超前支护钻孔，钻孔直径为30mm，深度为4.0m，钻孔以7°仰角布置，工作面每排施工9个支护钻孔，间距为0.5m。

（2）超前支护钻孔施工完后，在每个钻孔内依次填装两支MSKC23/35型树脂药，以及一根长度为4.5m、直径为25mm的高强度螺纹锚杆，并采用手持式钻机将其锚固，锚固后锚固力不得低于10t。

4.4 迈步式“T”型支护

斜巷段通过施工迈步式“T”型支护，增加支护体对顶板支护面积，从而有效防止顶板局部破碎，以及顶板下沉现象。

（1）“T”型支护主要由长度为2.5m、直径为22mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，以及一块长度为0.8m、宽度为0.5m钢板组成。

（2）“T”型支护施工在顶板相邻三根钢带中间且垂直钢带布置，在第一排与第二排钢带中间施工两组“T”型支护，间距为3.0m，第二排与第三排钢带中间施工一组“T”型支护，相邻三组“T”型支护呈迈步式布置，如图1所示。

4.5 优化顶板原支护设计

西翼皮带巷在上山掘进期间，为了防止煤岩层厚度变化，造成顶板原支护体锚固端位于煤岩交界处，导致出现顶板支护失效现象，对局部区域原支护体进行优化设计。

（1）当西翼皮带巷道掘进至108m、138m时，顶板锚索锚固端分别位于2#层顶板岩石层与山4#煤层之间以及山4#煤层与其顶板岩石层之间，此时锚索锚固效果差。巷道在上山掘进100～110m以及135～140m范围内，顶板锚索采用长度为8.0m预应力钢绞线。

（2）当巷道掘进至129m、158m时，顶板锚杆锚固端分别位于2#层顶板岩石层与山4#煤层之间以及山4#煤层与其顶板岩石层之间，此时锚杆锚固效果差。巷道在上山掘进125～130m以及155～1160m范围内顶板锚杆更换为长度为5.0m预应力钢绞线。

图1 西翼皮带巷穿层上山掘进顶板支护断面、平面图

5 结语

通过技术研究，在西翼皮带巷穿层期间采用台阶法掘进施工工艺，采用“超前锚杆支护+注浆+迈步式T型支护”等联合支护法，取得了以下效果：

（1）采用台阶法进行上山掘进，用锚索吊棚对台阶处顶板加强支护，降低了顶板压力集中现象，避免了顶板垮落事故发生。

（2）注浆法的使用，大大提高了上山阶段破碎岩体胶结稳定性，注浆后顶板破碎岩体单轴抗压强度提高至52.7MPa。

（3）施工超前锚杆支护加强了巷道上山阶段顶板稳定性，避免了因巷道爆破施工后顶板支护不及时、顶板受爆破震动影响出现局部垮落。

（5）对层上山阶段顶板施工迈步式T型支护，解决了顶板钢带支护断面小，钢带间联锁保护性差等技术难题，增加了支护断面，有效防止了顶板下沉。