人工复合假顶技术在近距离煤层巷道掘进中的应用

2022-06-01许起

煤 2022年5期

许起

(长春兴煤业有限公司，山西大同 037101)

近距离煤岩层巷道掘进过程中，受巷道掘进扰动影响，近距离煤岩层稳定性降低，煤岩层内裂隙发育[1-4]，同时由于煤层厚度小，采用传统锚杆(索)进行支护时，围岩相对破碎，导致支护体锚固失效现象严重，而且在对支护体施加预应力时，无法通过杆体有效传递至围岩岩层中[5]，导致支护效果差、支护难度大[6-10]，很容易发生顶板垮落事故。本文以长春兴煤矿602运输巷系统巷掘进为例，针对近距离煤层巷道掘进支护主要存在的技术难题，提出了“人工复合假顶+密集工字钢棚”联合支护技术。

1 602运输巷概述

长春兴煤业602运输巷位于井田南盘区，巷道北部为实煤区，东部为南回风大巷二段、南带式输送机大巷二段、南运输大巷二段，南部为602回风巷，西部为井田边界，如图1所示。

图1 602运输巷平面布置示意

602运输巷设计长度为1 680 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道顶板采用“锚杆(索)+W型钢带+金属网”联合支护，顶板每排布置5根长度为2.5 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆布置排间距为1.0 m，同一排锚杆外露端安装1根长度为4.2 m“W”型钢带，钢带宽度为0.28 m，厚度为4 mm；顶板每排布置3根锚索，锚索长度为6.5 m，直径为17.8 mm，锚索布置间距为1.6 m，排距为3.0 m；巷道掘进煤层为22号，煤层平均厚度为9.5 m，平均倾角为2°。煤层顶底板岩性如表1所示。

表1 602运输巷掘进煤层顶底板岩性

602运输巷采用的是综合机械化掘进工艺，602运输巷系统巷设计长度为140 m，系统巷断面规格与正巷规格相同，初步设计系统巷采用两种施工方案，第一种施工方案是巷道开口平掘与南回风巷贯通，然后在回风巷内挑顶、施工人工风桥；第二种方案是巷道开口是以一定坡度掘进，巷道沿回风巷底板掘进，避免风桥施工(如图2所示)。通过综合分析，决定采用第二种施工方案。

图2 602系统巷两种施工方案平面示意

2 系统巷施工方案及支护难题

2.1 施工方案

602运输巷从南带式输送机大巷二段开口施工，巷道开口前40 m以5°下山掘进，巷道掘进到位后进入南回风大巷二段底板下方，然后平掘5 m后再以5°上山掘进，掘进40 m后沿22号煤层底板平掘，巷道过回风巷底板时，两巷层间距为1.5 m，如图3所示。采用此种方式掘进避免了风桥施工，可提高巷道掘进速度。

图3 602运输巷系统巷穿层施工断面、剖面图

2.2 过巷掘进支护难题

1) 支护难度大：由于602运输巷掘进过南回风巷二段底板时，两巷层间距为1.5 m，而原巷道支护设计中顶板采用锚杆、锚索联合支护，锚杆长度为2.5 m，锚索长度为4.5 m，锚杆(索)在近距离煤层中无法实现树脂锚固支护，支护难度大。

2) 掘进安全系数低：南回风巷二段底板主要以泥岩为主，岩体单轴抗压强度不足15 MPa，岩体呈层状结构，岩体稳定性差；而602运输巷采用综合机械化掘进工艺，巷道过巷掘进时，近距离煤岩层受采掘影响岩体出现断裂、破碎现象。不利于施工安全。

3 近距离煤层联合支护技术

为了解决近距离煤层巷道掘进时支护难题，该矿研究决定，在602运输巷系统巷近距离煤层掘进时采用“人工复合假顶+密集工字钢棚”联合支护技术。

3.1 人工复合假顶施工

1) 602运输巷开口下山掘进至35 m处时停止掘进，由地测科现场调整中线，并在南回风巷二段标定出运输巷过巷区域。

2) 在南回风巷二段指定区域底板进行起底，起底长度为7.0 m，宽度为4.5 m，起底深度为1.5 m，采用松动爆破施工工艺进行起底施工，每排布置3个爆破孔，共计布置5排，钻孔深度为0.8 m，每个炮孔内填装1支矿用乳化炸药以及1支毫秒延期电雷管。

3) 起底到位后，对起底坑内进行整平，然后在起底坑内铺设密集工字钢梁，钢梁长度为7.0 m，起底坑内共计铺设42根钢梁，钢梁铺设后两端采用锚索穿拉并进行预紧。

4) 钢梁铺设完后对坑内进行混凝土浇筑，混凝土配比为水泥∶沙子∶石子=1∶2∶2，当混凝土浇筑厚度达0.2 m后停止浇筑，并在浇筑面上安装4排锚杆，每排布置3根，锚杆长度为1.5 m，锚杆布置间距为1.5 m，排距为2.0 m，如图4所示。

图4 “人工假顶+密集工字钢棚”联合支护施工断面示意(mm)

5) 锚杆安装后继续浇筑直至浇筑面与南回风巷二段底板平整，浇筑后4排锚杆外露端安装长度为4.0 m工字钢梁，共计安装4根并采用螺母将其预紧。

3.2 架设密集工字钢棚

为了进一步提高过巷期间顶板稳定性，人工复合假顶施工完后在复合假顶下方架设1排密集工字钢棚。

1) 人工复合顶板施工完后巷道方可继续掘进，为了防止EBZ型掘进机掘进时掘进量大导致顶板失稳现象，602运输巷系统巷过巷期间采用全断面光面爆破施工工艺，爆破孔深度为1.2 m，采用矿用三级乳化炸药以及毫秒延期电雷管进行爆破，单茬掘进量控制在0.6 m范围内。

2) 602运输巷系统巷掘进至35 m处(距南回风巷二段边缘5.0 m),开始架设矩形工字钢梁，工字钢梁主要由顶梁、棚腿、底座以及3组拉杆(顶梁、棚腿各1组)等部分组成，工字钢梁架设间距为1.0 m。

3) 矩形工字钢梁滞后掘进迎头3.0 m处开始架设，当巷道掘进过巷5.0 m后停止架设钢棚，共计架设15架钢棚，所有钢棚架设完后采用拉杆将相邻两架钢棚进行固定防止倒架现象。

4) 钢棚架设完后应对每一架钢棚安装质量进行检查，钢棚架设后保证钢棚顶梁与顶板接触严实，若巷道掘进期间发现钢棚出现变形、断裂现象时必须及时进行更换。

3.3 实际应用效果分析

截止2020年2月11日，602运输巷系统巷已掘进90 m，对巷道过巷段采取施工人工复合假顶以及架设密集工字钢棚后，对人工复合假顶处安装顶板离层仪，通过30 d现场观察发现，人工假顶以及密集工字钢棚施工完后7 d范围内，顶板出现局部蠕动变形现象，变形量为0.18 m，在7～16 d范围内顶板蠕动变形逐渐控制，变形量为0.25 m，在16 d后顶板区域稳定；采取“人工假顶+密集工字钢棚”后顶板未出现断裂、破碎现象，有效解决了近距离煤层巷道掘进顶板支护难题。