巷道过陷落柱顶板安全技术措施

司海云

（山西煤炭运销集团七一煤业有限公司，山西 晋城 048400）

1 概述

山西煤炭运销集团七一煤业有限公司9109回风顺槽北部、西部为井田边界，南部为9#北回风大巷，东为实体煤。9109回风顺槽设计长度为1200m，巷道设计断面规格为宽×高=4.2×2.4m，施工巷道掘进煤层为9#煤层。9#煤层位于太原组中部K4灰岩之上，煤层厚度1.56～1.72m，平均厚度1.64m，厚度变异系数11.92%，可采系数100%，煤层倾角-3°～ +5°，平均4°，结构简单，不含夹矸，普氏系数f=1～2，煤层赋存情况稳定。9109回风顺槽沿9#煤层底板平行掘进，无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为2.7m，基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为8.7m。目前巷道已掘进290m。

根据地测资料，9109回风顺槽掘进至370m处揭露X0陷落柱，该陷落柱为椭圆形状，其东西发育较长，南北发育较短，预计受影响范围约30m，预计巷道过陷落柱期间顶板较破碎。

2 过陷落柱施工方案及问题分析

2.1 施工方案

（1） 掘进工艺。初步设计中9109回风顺槽采用综合机械化掘进施工工艺，掘进机单茬掘进深度为1.5m，一次性成巷，巷道掘进后及时清理巷道内煤矸石，然后对顶板及巷帮施工永久支护。

（2）支护工艺。初步支护设计中9109回风顺槽采用锚杆、锚索、金属网、钢带进行联合支护。顶板每排布置5根长度为2.0m、直径为18mm螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1.0m；顶板钢带采用长度为4.0m、宽度为0.2m钢带，钢带与锚杆配套使用，钢带与巷道走向垂直布置；顶板锚索采用长度为4.5m、直径为17.6mm预应力钢绞线，每排布置2根，间距为2.0m，排距为3.0m。

2.2 问题分析

（1）掘进扰动影响。9109回风顺槽采用综合机械化掘进后，由于巷道空顶面积大，顶板支护不及时，受巷道围岩应力影响，巷道掘进后不稳定顶板无法起到临时承载作用，导致顶板出现下沉、破碎现象，不仅增加顶板永久支护施工难度，影响巷道成型率，而且威胁着巷道施工安全。

（2）顶板不稳定。通过探测钻孔发现，9109回风顺槽揭露的X0陷落柱腔体内主要为炭质泥岩，且岩体呈破碎状，胶结稳定性差，未能形成稳定连续的块岩，巷道掘进后顶板极不稳定，很容易发生顶板冒漏现象，威胁着巷道掘进施工安全。

（3）支护难度大。由于过陷落柱期间顶板破碎、不稳定，采用普通的锚杆（索）支护时支护体锚固端位于不稳定岩体内，锚固效果差，造成支护失效现象严重，不能起到预期支护效果。

3 过陷落柱安全技术措施

3.1 掘进施工工艺优化

为了防止过陷落柱期间一次性成巷导致巷道顶板垮落，决定采用导硐分层爆破施工工艺。

（1）导硐分层爆破对施工巷道进行分层掘进，先爆破下分层预留上分层，下分层掘进后受巷道围岩应力影响，上分层岩体及巷道顶板产生塑性变形，使上分层出现局部垮落，从而对巷道设计顶板起到卸压、保护作用。

（2）9109回风顺槽过陷落柱期间下分层断面为宽×高=4.2×1.4m，预留上分层厚度为1.0m，下分层采用光面爆破施工工艺。下分层共计布置26个爆破钻孔，其中掏槽孔4个，深度为2.0m，辅助孔10个，深度为1.8m，周边孔12个，深度为1.8m。每个炮孔装药量为600g，光面爆破深度为1.6m。如图1所示。

图1 过陷落柱期间分层爆破炮孔布置示意图

（3）光面爆破后对分层上施工一排松动爆破孔，爆破孔施工在距顶板0.5m处且垂直煤壁布置，共计8个爆破孔，炮孔深度为1.2m，炮孔间距为0.5m。炮孔施工后每个炮孔装药量为300g，每次允许爆破炮孔数量为4个，爆破进度为1.0m。

（4）采用矿用乳化三级许可炸药以及毫秒延期电雷管，光面爆破炮孔封孔深度不得低于0.8m，松动爆破炮孔封孔深度不得低于0.5m。

3.2 支护工艺优化

3.2.1 撞楔超前支护施工

（1）撞楔超前支护施工在巷道设计顶板位置，超前支护垂直煤壁布置。首先在指定位置采用YT-23型凿岩机进行支护孔施工，一排共计10个超前支护孔，孔间距为0.4m，钻孔直径为35mm，深度为3.0m。

（2）超前支护钻孔施工完后，对钻孔内依次填装锚固剂及钢针。每个钻孔两支锚固剂，一支MSKC23/80超快型，一支MSK23/35快速型；钢针长度为3.2m，直径为30mm。填装后采用手持式钻机进行锚固。

（3）锚固后在钢针外露端安装一根长度为4.0m、宽度为0.15m“M”型钢带将其与顶板进行固定，巷道掘进期间永久支护施工在超前支护下方，当巷道掘进2.5m后施工第二排超前支护，以此类推，直至巷道完全过陷落柱。

3.2.2 永久支护工艺优化

（1）大锚杆支护。为了提高锚杆锚固效果及屈服强度，将原顶板锚杆支护进行优化，采用左旋无纵筋螺纹大锚杆支护，锚杆长度为3.5m，直径为22mm。为了减少支护钻孔对顶板扰动破坏，优化后顶板每排布置4个锚杆，锚杆间排距为1.2m。

（2）JW型钢带支护。为了提高顶板支护断面，避免集中应力作用下钢带对顶板出现切顶破坏，将原顶板钢带更换为“JW”钢带。钢带长度不变，宽度为0.35m，在钢带上均匀焊制4个圆孔，孔间距为1.2m，钢带与大锚杆配套使用。

（3）恒阻锚索支护。通过对陷落柱顶板施工窥视孔发现，在顶板往上5.7m处为稳定岩层，单层厚度为5.9m，岩体单向抗压强度为78MPa。所以为了提高锚索对顶板围岩松动圈悬吊作用，以及锚索支护强度，将原顶板锚索更换为恒阻高预应力锚索。恒阻锚索长度为7.0m，直径为21.6mm，每排施工两根，锚索间距为2.5m，排距为3.6m，锚索外露端安装一根长度为0.8m、宽度为0.30m“JW”型钢梁。如图2所示。

图2 9109回风顺槽过X0陷落柱联合支护断面图

3.2.3 施工注浆锚棚支护

为了进一步提高陷落柱处顶板岩体稳定性，减少顶板钻孔数量，实现锚杆、注浆同步进行以及提高钢棚支护强度，巷道掘进后决定安装注浆锚棚。

（1）支护结构。注浆锚棚主要由钢棚、注浆锚杆等组成。钢棚为矩形断面，断面规格为宽×高=4.2×2.4m，钢棚主要由两根U29型棚腿和一根JW型顶梁组成。其中JW型顶梁长度为4.0m，宽度为0.35m，顶梁上焊制三个直径为35mm圆孔，孔间距为1.8m。注浆锚杆长度为3.0m，直径为30mm，注浆锚杆两侧各均匀焊制5个圆孔，孔间距为0.5m，第一个孔距锚杆端头距离为0.2m，最后一个孔距锚杆底端距离为0.8m。

（2）施工顺序。施工钻孔（三个）→锚注注浆锚杆→安装“JW”型顶梁→安装棚腿→注浆。

（3）施工工艺：① 首先采用MT-130锚索钻机在顶板施工三个钻孔，其中中部钻孔垂直顶板布置，两帮侧钻孔与巷道两帮夹角为75°。② 注浆钻孔施工完后对钻孔依次填装锚固剂及注浆锚杆。锚杆锚固长度控制在0.5～0.8m范围内，中部锚杆垂直顶板布置，两侧锚杆成75°夹角布置。③ 锚杆锚固后，在锚杆外露端安装一根“JW”顶梁，并进行预紧。④ 顶梁安装后采用卡缆依次安装两个棚腿，棚腿安装时必须保证具有较强的支撑作用力。钢棚安装间距为1.2m，在相邻两架钢棚之间采用三组拉杆进行联锁保护。⑤ 锚杆锚固后，向锚杆内注入水泥砂浆，注浆压力控制在0.5～1.2MPa范围内，固结松散的顶板，提高其整体性。

4 结束语

4月11日9109回风顺槽揭露X0陷落柱，截至4月19日施工巷道完全过陷落柱。过陷落柱掘进工艺优化后，过陷落柱期间平均掘进速度达3.2m/d，采用联合支护工艺后，过陷落柱期间巷道顶板未出现破碎、冒落，顶板支护失效率降低至2%以下，保证巷道成型及施工安全，取得了显著成效。