运输顺槽过陷落柱施工方法探讨

任保红

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046606）

1 工程概况

凌志达煤矿位于长治市长子县南端的首羊山下，矿井设计生产能力为1.2 Mt/a，可采煤层为石炭系上统太原组3#、15#煤层，现开采15#煤。矿井采用斜井单水平分区布置的开拓方式，通风方式为中央边界式，采用机械抽出式通风方法，轻型综采放顶煤采煤法。

15208工作面位于二采区东南部，东部为15206工作面，北部为东翼回风大巷。该工作面开采15#煤层。15#煤层平均厚度3.1 m，煤层倾角1°～3°，结构简单—复杂，含0～4层夹矸，夹矸为炭质泥岩或泥岩，属近水平中厚煤层。顶底板岩性特征见表1。

表1 15208工作面运输顺槽顶底板岩性特征

2 运输顺槽掘进施工工艺

2.1 施工方法分析

15208运输顺槽采用综掘机全断面一次成巷的掘进方式。过陷落柱等地质构造时，辅助以爆破施工的技术手段。施工前由地测科提供施工中线，施工队组严格按要求施工。巷道在掘进过程中，应加强瓦斯监控、通风管理，严格执行专项安全技术措施。巷道在掘进过程中遇局部顶板破碎地段，采用加密锚杆，锚索补强支护或采用加设矿工钢棚进行联合支护。

2.2 施工方式分析

15208运输顺槽采用EBZ-160型掘进机进行施工时，开掘后的煤由掘进机装载部自行装煤。

其掘进工艺流程为： 交接班→延长皮带→割煤、运煤→敲帮问顶→临时支护→永久支护→清煤→验收。

检修工艺流程为：检修前准备→检修掘进机各部位、加油、检修各部刮板输送机、其他工作→正常掘进。

掘进机截割工艺为： 进刀→截割→修边→成形；15208运输顺槽掘进施工配套设备见表2。

表2 15208运输顺槽掘进施工配套设备

2.3 过陷落柱爆破施工方法

（1）过陷落柱施工方案

通过对15#煤层地质报告的分析研究，15208工作面运输顺槽掘进至1350 m处时，会揭露Q28陷落柱，地质剖面见图1。该陷落柱分为两个区段，第一区段长44.3 m，倾斜度为1°；第二区段长17.9 m，倾斜度为10°。为避免该运输顺槽出现较大拐弯，便于运输和通风，根据设计施工要求采取爆破技术直接穿过陷落柱的施工方法，同时加强顶板支护管理，保障顺槽掘进施工的正常进行[1]。

图1 15208工作面运输顺槽Q28陷落柱的地质剖面

（2）过陷落柱爆破技术参数

爆破炮眼主要分为掏槽眼、辅助眼和周边眼。掏槽眼需要布置5个，布置在运输顺槽掘进面的中下部，掏槽眼的布置采用三角楔形掏槽，其装药量为0.6 kg；辅助眼需要布置11个，其作用是进一步扩大槽口体积和爆破量，并逐步接近开挖断面形状，为周边眼创造有利的条件，其装药量为0.4 kg；周边眼需要布置21个，布置于巷道四周，包括顶眼、帮眼和底眼，其装药量为0.4 kg。

爆破过程中，必须根据煤（矸）的软硬程度，煤层裂隙变化情况灵活掌握炮眼布置数量和装药量。为了掌握巷道的掘进方向，钻眼前首先检查中线所处工作面位置，保证按规格掘进。起爆顺序：掏槽眼→辅助眼→帮眼→顶眼→底眼。放炮时，施工队组必须将放炮地点的人员全部撤离警戒线以外。

（3）安全防护措施

爆破时，坚决执行“一炮三检”和“三人连锁”放炮制度，合理利用爆破器材，实现安全爆破作业。爆破前要用废旧皮带对巷道周围的电缆、电器设备等进行有效保护，并且爆破工作必须由专职爆破工担任。爆破工必须把炸药、电雷管分别存放在专用的爆破材料箱内，并加锁保管，严禁乱扔、乱放，严禁坐在爆炸材料箱上装配引药。每次爆破前必须把材料箱放到警戒线以外的安全地点，爆炸材料箱必须放在顶板完好、避开机械、电气设备的地点，其安全间距必须大于20 m。

3 运输顺槽掘进支护方法

3.1 支护参数的计算分析

陷落柱发育的地区，煤系地层中的煤层及其周围的岩石遭到严重的破坏，因此在巷道的掘进施工过程中必须做好顶板的支护工作，防止顶板出现片帮、掉块及塌陷风险[2]。15208运输顺槽的净断面为：宽5.0 m，高3.5 m，断面积17.5 m2。

（1）利用悬吊理论计算锚杆支护参数

a、锚杆长度计算

锚杆最小长度：L=K·H+L1+L2，H=B/(2·F)式中：L为锚杆长度，m；H为冒落拱高度，m；K为安全系数，一般取2.0；L1为锚杆锚入稳定基岩的深度，取0.5 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，取0.1 m；B为正常开掘巷道的宽度，5.0 m；F为岩石坚固性系数，取4。

代入数据可以得到锚杆最小长度L=1.85 m，施工过程中为了安全起见，选取长度为2.4 m的锚杆。

b、锚杆间排距计算

式中：a为锚杆间距，m；Q为锚杆设计锚固力，N；H为冒落带高度，H=0.625m；R为被悬吊岩石重力密度，取26 kN/m3；K为安全系数，一般取2.0。

代入数据可以的得到锚杆最大间排距a=1.75 m，施工过程中间距取0.9 m，排距取1.2 m。

c、锚杆直径确定

根据经验公式，锚杆最小直径D计算为：

式中：D为锚杆直径，mm；P为锚杆截面载荷，取110 kN；σ为螺纹钢锚杆屈服强度，取400 MPa。

代入数据可以得到锚杆最小直径D=19.6 mm，在实际施工过程中选取直径为20 mm的锚杆。

（2）锚杆支护密度校核验算

沿运输顺槽掘进方向选取高3.5 m，宽5.0 m的支护断面进行验算，锚杆支护密度，间、排距为900 mm×1200 mm，则每米范围内有4.98根锚杆（每根锚杆设计锚固力为100 kN）。

因此，总锚固力为：F总=4.98×100/9.8=50.8 t。

顶板选取最大密度为2.7 t/m3，该范围内2.4 m厚悬吊围岩重量为：G围=1.0×5.0×2.4×2.7=32.4 t。

计算得到F总＞G围，因此所选锚杆的支护密度符合要求[3-4]。

通过以上计算，选用直径20 mm，长度为2400 m等强度螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为900 mm×1200 mm，能满足支护要求。施工过程中，如果采用长2400 mm螺纹钢锚杆不能牢固地锚入稳定岩层0.5 m以上，必须及时调整锚杆长度或采用锚索进行加强支护。

3.2 支护工艺分析

掘进机截割完毕且敲帮问顶后，进行超前临时支护时采用吊环配合4根不小于4 m长的10#槽钢进行超前临时支护。

落下综掘机截割臂并切断电源，首先进行敲帮问顶，清理掉顶帮的危岩、活炭。然后人工将4组吊环分别固定在最前一排和倒数第二排锚杆上，再将槽钢穿在四组吊环之间，槽钢必须伸出最外边吊环外100 mm以上。穿槽钢时，要先上钢筋网片再穿槽钢，槽钢与顶板之间要用木楔打紧背牢，顶板不平整时，可选择不同规格的背板支、绞、勾实顶板。

在临时支护架设好后，开始永久支护。打注锚杆时要由外向里逐排进行，当本循环的第一排锚杆打注完毕后，将备用的吊环分别固定在刚打注完成的最前一排锚杆上，然后将10#槽钢前移穿过吊环至迎头煤壁，作为本循环第二排锚杆的超前临时支护。先打注顶板中部的锚杆，待中部锚杆打注完毕后，再向两帮打注锚杆，临时支护见图2。

图2 15208工作面运输顺槽临时支护

在永久支护过程中，根据顶板及围岩情况，帮部顶锚杆可滞后迎头顶锚杆2.4 m支护，帮部底锚杆可滞后顶部锚杆20 m支护。同时巷道两帮锚杆应及时紧跟掘进工作面，待永久支护完整后，综掘机缓缓开进工作面，继续施工作业。

3.3 支护效果分析

在锚杆安装后，通过采用力矩示值扳手对锚杆预紧力矩的检测分析，检查结果显示顶部锚杆平均预紧力矩为109 kN·m，最小预紧力矩为105 kN·m；帮部螺纹钢锚杆平均预紧力矩为105 kN·m，最小预紧力矩达到102 kN·m；帮部树脂玻璃钢钢锚杆平均预紧力矩为66 kN·m，最小预紧力矩达到63 kN·m。检测结果表明，巷道支护锚杆的预紧力矩均达到了规定预紧力，并且同一部位的锚杆承受的顶板围岩载荷大小比较平稳，锚杆支护效果较好，锚固区范围内的围岩离层、滑动等变形得到比较有效的控制。

4 结语

通过对凌志达矿15208工作面运输顺槽掘进施工技术的分析，取得以下经验、认识：

1）为避免该运输顺槽出现较大拐弯，便于运输和通风，根据设计施工要求采取爆破技术直接穿过陷落柱的施工方法，同时加强顶板支护管理，保障顺槽掘进施工的正常进行。

2）运输顺槽顶板支护时，巷道支护选用直径20 mm，长度为2400 m等强度螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为900 mm×1200 mm，能满足支护要求。施工过程中，如果采用长2400 mm螺纹钢锚杆不能牢固地锚入稳定岩层0.5 m以上，必须及时调整锚杆长度或采用锚索进行加强支护。

3）通过采用力矩示值扳手对锚杆预紧力矩的检测分析，结果表明：巷道支护锚杆的预紧力矩均达到了规定预紧力，并且同一部位的锚杆承受的顶板围岩载荷大小比较平稳，锚杆支护效果较好，锚固区范围内的围岩离层、滑动等变形得到比较有效的控制。