开拓巷道过采空冒落区支护工艺实践

＊赵 江

（山西汾西矿业集团有限责任公司 山西 032000）

资源整合矿井受之前小窑破坏影响，存在较多不规则、零星分布的采空区，在矿井建设过程中造成较大的安全隐患。开拓巷道遇到采空冒落区时所采取的支护技术直接影响到其安全生产、支护效果及掘进速度等，因此，对开拓巷道过采空冒落区支护技术进行研究，制定出合理的支护方案，对正升煤业的安全高效生产具有较高的价值与必要性。

1.工程背景

图1 西翼胶带大巷过空巷示意图

正升煤业西翼胶带大巷沿煤层掘进，采用锚网喷支护方式，当施工至L2点前79m处，揭露原安源采空区，根据原地质资料分析，该段采空为2008年回采，采空范围长度40m，开采高度为7m左右，采空区范围内已全部垮落充填，主要以石灰岩为主。由于井底煤仓已形成，西翼胶带大巷左右两侧35m为西翼回风大巷和西翼轨道大巷，无法左右绕过采空区。根据地质资料通过采空区后煤层为7°～8°上山，为确保通过采空区后进入煤层，合理布置采煤系统，下穿或上穿均不可行，因此西翼胶带大巷掘进方案确定为继续沿原方位和坡度强行通过该采空区域。

2.施工方案

西翼胶带大巷穿过该采空区域时，上下左右均为采空区冒落碎石回填区，且冒落高度大，锚杆、锚索因无法锚固在稳定岩层中起不到锚固作用而失效，故原设计的锚网喷工艺已不适于穿越该采空区。

根据该段围岩情况，做如下分析：

（1）由于该采空区段围岩破碎，压力来源各向不均匀，故考虑通过架设拱形U型钢棚或矩形工字钢棚支护通过。

（2）在向前掘进过程中，由于围岩不稳定，需要一段相对安全的操作空间，可以采用超前工字钢预支护或者采用钢管帷幕超前支护，即提前沿轮廓线在顶拱及两帮超前打孔后施工一圈钢管，钢管外端固定在紧挨迎头的棚架上，掘进后另一端至少1m留在工作面岩体内部，于是在掘进过程中形成一个钢管帷幕作为临时支护的安全作业区，确保迎头工作面至棚架之间掘进施工人员及机械的安全。

（3）考虑到掘进、支护过程中存在活矸冒落危险，且底板也不稳定，有随时冒落的威胁，故考虑先进行预注浆或后注浆，将围岩稳固粘接，既保障超前打孔易于操作，又使顶板矸石不易掉落、底板棚腿架设稳定不易倾倒。

综合以上分析，设计采用“预注浆+钢管帷幕+U型钢棚”和“人工假顶+架棚+后注浆”两种施工工艺对比，确定合适的穿过冒落区。

(1)“预注浆+钢管帷幕+U型钢棚”联合支护方案

①预注浆超前加固

采用向采空区预注浆对两帮及顶部进行超前加固防止掉顶，脱落。在沿巷道轮廓线往外50mm、与帮夹角3°，从底板向上1m、2.5m位置各布置1个注浆孔，注浆孔仰角为40°左右。顶板中心位置布置一孔，注浆孔孔径Φ=42mm，孔深 4～6m，孔距2.5～3m，封孔深度1m。

施工顺序：打眼→安装封孔器→连接注射管和注射花管→连接设备（供风管路和注浆管路）→注浆→清洗设备。如图2所示。

图2 注浆流程示意图

②钢管帷幕超前支护

为防止通过采空区期间巷道上方的大块岩石掉落，掘进巷道时布置钢管帷幕进行超前支护，确保工人作业范围的安全，如图3、图4所示。掘进前，利用YT-28型风钻，沿巷道半圆拱轮廓线往外50mm的位置打眼，拱部孔距300mm，直墙部500mm，直径50mm，长3000mm，施工数量33个。钻孔完毕后，将直径42mm、长3000mm的钢管插入钻孔，限位固定牢靠并接顶后开始掘进。采用综掘方式分断面掘进作业，短掘短支，循环步距700mm，并及时进行初喷，对巷道表面进行封闭处理，然后采用内阻式单体支柱及时进行临时支护，确保架棚期间的安全可靠。掘进至帷幕下方剩余1m时，在两孔300mm中间继续打孔，进行下一循环超前帷幕施工，直至通过采空区。

图3 钢管帷幕超前支护立面示意图（单位：mm）

图4 钢管帷幕超前支护平面示意图（单位：mm）

③U型钢棚永久支护

为确保该段巷道既满足设计要求，巷道断面为直墙半圆拱形，掘宽5215mm、掘高4050mm（靠钢管帷幕控制），架棚支护喷浆后净宽4800mm、净高3700mm、铺底100mm。U29型钢棚棚距为700mm（中-中），迎山角1°，采用水泥背板（长1000mm×宽150mm×厚80mm）与实顶、实帮背实背严，背板花背布置，如图4所示。为使围岩形成一个整体，巩固U型钢棚支护质量，通过采空区后在该段巷道打孔进行壁后注浆充填、底板注浆，壁后注浆孔在巷道顶板、背板中间施工，底板注浆孔在棚腿及巷道中部施工。注浆钻孔直径42mm，浅孔1m、深孔1.5m，交叉布置，排距1400mm，注浆时以浆液外流为止。

图5 U型钢棚永久支护断图（单位：mm）

(2)“人工假顶+工字钢棚+后注浆”联合支护方案

①人工假顶

首先预计过采空区前5m将拱形巷道变成矩形巷道，提前采用锚索吊工字钢棚支护，采用长度为8.0m、直径为21.6mm高预应力钢绞线组成的锚索，间排距1.0m；钢棚采用长度为4.8m工字钢梁架设，钢棚间距为1.8m。待伸入到采空区两架锚索吊棚施工完毕后，及时对两根顶梁、锚索的水平度进行调整，确保成巷顶板水平，便于顶板支护。钢梁调平后在其上方依次铺设长度为7.0m的18#工字钢纵梁，纵梁与锚索吊棚、钢梁垂直布置且采用卡缆进行固定，纵梁间距为1.0m。为防止出现漏顶、偏帮，在纵向梁铺设依次铺设8#铅丝、规格为6.0m×2.4m的金属网，金属网与纵梁、横梁之间采用三花绑结。

为增加缓冲力、围岩的整体性和防止注浆时出现漏浆，在金属网方铺设多层、长度为3.5m的半圆木垛成“#”字型接顶。首层共布设6根半圆木且与纵梁垂直布置，间距为0.6m；上一层与首层的铺设方向垂直且成“#”型布置，依次类推直至半圆木与漏顶区勾顶，实现严实接顶。所有半圆木铺设完后，采用气动锚索张拉器具对锚索和钢棚进行进一步加固、调整。

②工字钢棚架设

为了进一步提高人工假顶稳固性，待假顶及注浆施工完后在假顶区下方架设密集矩形工字钢棚。工字钢棚主要由两节棚腿、一节顶梁以及两个棚腿底座组成，棚腿长度为2.8m，顶梁长度为4.0m，工字钢棚架设间距为1.0m[1]。

为了防止倒棚事故发生，起底浇筑棚脚，确保底座安装牢固，底座安装后将棚腿与底座采用连接螺栓固定，每节棚腿与巷帮采用锚杆锚固。待棚腿安装后将顶梁与两节棚腿采用卡缆固定并进行预紧，预紧力不得低于200N·m；为了提高钢棚之间联锁保护作用，在相邻两架钢棚之间采用五组拉杆进行固定，其中棚腿各两组成交错式布置，顶梁一组[2]。

所有钢棚架设完后在钢棚顶梁与假顶纵梁之间间隙处填塞水泥背板，确保钢棚与假顶之间接触严实。

③注浆施工

为了实现永久巷道的稳定性和牢固性，研究采用注射“马丽散+罗克休”两种膨胀剂，采用马丽散粘剂为了进一步增强冒落区围岩粘合度，形成稳定的围岩保护区，同时防止假顶区域出现瓦斯集聚现象；采用注射罗克休膨胀剂目的为提高假顶密实性，提高承载力，降低假顶内间隙。正升矿决定首先采用马丽散粘剂对假顶区域进行注浆填充。巷道顶部在距冒落区前1.0m处钻孔，注浆孔数量5个，采用垂直顶板布置，间距800mm，钻孔直径为42mm，深度5.0m；选用高压注浆泵依次对称向钻孔内注射马丽散粘剂，注浆期间发现钻孔附近煤体出现浆液渗透时立即停止注浆，并及时封孔。待围岩注浆2h后，将由树脂与催化剂两种成份组成且配比4:1的罗克休膨胀剂向假顶内间隙注入。在注射罗克休膨胀剂时施工人员应站在上风侧，将注浆软管从假顶侧面深入高冒区顶部，注浆压力控制在0.4～0.7MPa之间[3-4]。

3.支护方案的对比

“人工假顶+工字钢棚+后注浆”联合支护方案分析：掘进巷道在高地应力、采空冒落区中，采用刚性的工字钢棚支护受压长出现变形，易出现冒顶偏帮等现象，施工难度大，安全管理困难，后期维护费用高。优点：支护巷道地点可以随意变动，快速掘进支护成巷，满足巷道布置紧张的状态；缺点：断面顶部易受来压弯曲，棚腿弯折，钢棚倒架，巷道变形严重，经常造成片帮、底鼓现象，井巷维护大，使用危险性高。支护材料消耗大，维护人员浪费工时，矿井成本费用提升。解决巷道应力大的方法：改变钢型，增加承载能力；缩短棚距，提高支护密度，连锁棚间，提高整体受力；填充帮、顶空隙，提高支架的预紧力。一般情况下回采巷道多采用工字钢棚进行支护。

“预注浆+钢管帷幕+U型钢棚”联合支护方案分析：在永久巷道采用U型钢棚支护能够缓冲围岩产生一定变形，释放围岩应力。缺点：增加支架结构的复杂性，需掘进大断面，满足缓冲变形要求，施工劳动强度大。如巷道矿压较大时，U型棚实际方法：采用大工作阻力可缩支架；为巷道受压收缩预留大断面。

本巷道为开拓巷道，与钢管帷幕超前支护存在活矸冒落危险，且底板也不稳定，致使棚腿不易稳固架设，建议采用“预注浆+钢管帷幕+U型钢棚”联合支护方案。

4.支护效果

采用十字观测法进行巷道表面位移监测。掘进过程中巷道每隔5m设1个监测站，在每个监测站断面的顶、底板和两帮的中部各布置1个测点，放出巷道的中腰线，观测时用钢卷尺测量，分别对顶底及两帮的距离测量读数记录[5]，详见图6。观测结果显示巷道变形量在5～10mm左右，说明巷道围岩稳定，满足设计要求。

图6 “人工假顶+架棚+后注浆”联合支护永久支护示意图（单位：mm）

5.结论

西翼胶带大巷过采空冒落区期间，通过预注浆+钢管帷幕+U型钢棚工艺的应用，有效提高了巷道围岩稳定性，保证了支护效果、掘进速度，减少了对矿井建设造成的影响时间，保障了矿井的安全生产，降低了巷道的后期维护工程量，取得了良好的效益。