自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术

赵建光

（晋能控股煤业集团 同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037101）

同发东周窑矿是晋能控股集团旗下千万吨矿井，地质条件复杂，断层、陷落柱、火成岩侵入、破碎带频繁出现，掘进巷道过构造区和破碎带常发生迎头冒漏[1-3]，迎头冒漏严重威胁作业人员安全，严重影响掘进工期和掘进速度，处理冒漏过程极具危险性，额外增加掘进费用投入，探索安全实用防治迎头冒漏掘进技术的重要性日益凸显。

矿井常用掘进方法和防治迎头冒漏方法及弊端如下：

1）常用掘进方法及弊端。常用掘进方法为全断面一次掘进法[4-6]，即巷道按设计全断面高度和宽度一次性挖掘后永久支护。实践表明，稳定顶板条件下，此掘进方法法对坚持正规循环作业和提升进尺水平有利。在顶板破碎条件下，此掘进方法弊端是极易造成迎头顶板冒漏。这是由于，巷道沿设计顶板线开挖后，位于设计顶板线上部的破碎岩体极易失稳自然冒落，造成迎头冒漏顶，冒落和处理冒漏顶过程十分危险，影响正常掘进，需投入人力物力，严重影响安全生产。

2）常用防治迎头冒漏方法及弊端。常用防治迎头冒漏方法是超前加固掘进迎头破碎顶板，即在巷道掘进开挖前，在迎头超前加固未掘进开挖区的破碎顶板岩层，使破碎顶板岩层提前加固，改变顶板存在条件和力学状态，使开挖后顶板不大面积垮塌。主要方法有：超前锚杆（锚索）加固法、超前预注浆加固法[7-8]、超前预注高分子材料加固法[9-11]，这些方法可以防治迎头冒漏。但这些方法的弊端是，它们都是前置于掘进开挖的独立工序，需专用设备、材料，加固过程占用工时，在正规循环作业外又增加了工艺工序，增加了工作时间，增加了防治费用投入，严重影响进尺水平和掘进效率提升。

鉴于常用掘进方法和常用防治迎头冒漏方法的弊端，矿井探索并形成了一种自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术，克服了常用掘进方法和常用防治迎头冒漏方法弊端，安全高效地解决了掘进巷道过构造区和破碎带迎头冒漏问题。

1 自然平衡拱托顶原理

在构造区和破碎带，巷道沿设计断面掘进开挖后，设计顶板线上部的破碎岩体自然垮出冒高，形成了平衡稳定的类似拱型结构，即自然平衡拱[12-13]，自然平衡拱及其2 种属性如图1。

图1 自然平衡拱及其 2 种属性Fig.1 Natural balance arch and its two attributes

该拱结构形成后至少有2 种属性：第1 种属性是拱体的稳定承载性，拱体具有支撑能力，能承载上覆岩体，阻止上部岩体继续冒高；第2 种属性是拱内的自行垮空性，拱内部破碎岩体自然垮出，形成内部空间。在岩体掘进施工控制领域，岩体按设计断面掘进开挖后，设计顶板线上部的破碎岩体自然垮落形成平衡拱，由于造成顶板冒漏，第2 种属性的效应往往被认为是负面的。但换一种思维，如果能充分利用以上2 种属性，让拱内破碎岩体自然垮出后的空间变为巷道断面的一部分，同时让拱体稳定支撑巷道设计顶板线上部岩体，即将自然平衡拱下移至巷道断面内设计顶板线下方，变负面有害效应为正面有利效应，既能利用第1 种属性有效支撑巷道设计顶板线上部的破碎岩体，防止设计顶板线上部岩体冒漏，起到支护作用，又能利用第2 种属性使部分断面岩体自然垮出，代替部分断面开挖，可取得事半功倍效果。而要实现这一切，仅需先对巷道断面下部分开挖，让断面上部分自然垮落形成平衡拱即可。这就是自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术的基本原理，自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术原理图如图2。

图2 自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术原理图Fig.2 Principle drawing of quick driving technology to prevent broken head-on leakage by natural balance arch supporting roof method

2 自然平衡拱托顶法快捷掘进技术

2.1 设计与施工工艺

1）分部并确定分部高度。将巷道断面分为上下2 部分，下部分为人工开挖部分，上部分为自行垮落和人工开取部分。上下2 部分高度确定的基本原则是：下部分开挖后，上部分自然垮落形成平衡拱后的拱顶位置位于或略高于巷道断面设计顶板位置，可用以下2 种方法确定上部分的高度，用巷高减去上部分高度即为下部分高度。①理论计算法[14]：上部分的高度hu=B/2f（式中：B为巷宽；f为普氏系数）；②经验法：根据现场条件，上部分高度取1.5～2.5 m，一般围岩破碎程度轻时取小值，破碎程度严重时取大值。

2）开挖和托顶。按照确定的下部分高度，人工开挖断面下部分，上部分自行垮落形成稳定自然平衡拱，拱顶大致位于或稍高于巷道断面设计顶板线位置，形成了托拱，托住巷道顶板上部破碎岩体，避免上部岩体冒漏，自然平衡拱托顶法施工工艺设计图如图3。

图3 自然平衡拱托顶法施工工艺设计图Fig.3 Construction technology design drawing of natural balance arch supporting roof method

3）永久支护拱顶中部。先对拱顶中部永久支护，形成巷道永久顶板的一部分；之后采用局部打斜拉锚杆（或锚索）扇形布置方式对两肩角斜向上侧岩体进行第一次加固，以防止下一步扩刷肩角时局部垮塌，并作为巷道顶板支护一部分。

4）扩刷并支护拱顶两肩角部。①对拱两肩部第一次扩刷并及时永久支护：扩刷时，根据现场条件可用长柄工具捅、撬或刨，或用风镐开，或用掘进机刨头轻扫，尽量防止局部冒高，开够1个支护位置立即支护，以减少悬顶和垮落；②采用局部打斜拉锚杆（或锚索）扇形布置方式对两肩角斜向上侧岩体进行第二次加固，以防止下一步扩刷肩角时局部垮塌，并作为巷道顶板支护一部分；③对拱两肩部第二次分步扩刷并及时永久支护：扩刷时，根据现场条件可用长柄工具捅、撬或刨，或用风镐开，或用掘进机刨头轻扫，尽量防止局部冒高，开够1 个支护位置立即支护，以减少悬顶和垮落；④采用局部打斜拉锚杆（或锚索）扇形布置方式对两肩角斜向上侧岩体进行第三次加固，以防止下一步扩刷肩角时局部垮塌，并作为巷道顶板支护一部分。

5）形成断面。依次类推，完成所有顶部支护后，完成护帮支护，逐步形成断面轮廓，完成断面施工，开启下1 个循环。托顶施工法形成断面轮廓图如图4。

图4 托顶施工法形成断面轮廓图Fig.4 Roadway profile drawing formed by supporting roof construction method

2.2 配套技术与辅助事项

1）为方便现场施工，在人工开挖掘进断面下部分时，可由底板向上逐渐开挖，边开挖掘边观察上部自然平衡拱顶位置。当拱顶达到或略超过巷道设计顶板线时下部分停止挖掘，以此停止挖掘位置作为上下2 部分分界线，即人工开挖部分和自行垮空部分的分界线，这种由底板向上边挖掘边观察拱顶位置的施工方法更切合现场实际和方便施工，可不必套用经验数据或公式计算确定断面下部人工开挖部分的高度。

2）开挖掘进方式可用机掘或爆破，坚持短掘短支，浅循环挖掘，机掘浅进刀，爆破严格控制药量和茬进。现场自然拱肩角部如不影响使用时，可留下不开角取肩，直接支护。

3）在现场施工形成自然平衡拱托顶后进行永久支护时，仍要做好临时支护，严格敲帮问顶，严防顶帮零皮掉落伤人。

4）理论上断面宽度越小，越易于控制迎头冒漏。断面宽度大时，可分成2 个或多个小宽度分断面按以上方法顺序施工，效果会更好。

5）迎头冒漏是相对概念，破碎条件下，严格不超高是不可能的，只是大与小的问题。破碎条件巷道成型不是关键问题，满足使用要求是前提，底线是不发生影响安全生产的大型冒漏，这是本法施工的一个原则。所以用本法施工时，出现迎头局部超高应视作正常。

6）自然平衡拱只是理论概念，现场形成的自然平衡拱，不一定规则标准，但不妨碍使用此法的原理施工。

7）本技术更适于放顶煤采面进、回风巷和开切眼等矩形断面巷道，支护方式应为锚杆锚索金属网片等灵活的方式，预紧力锚固力要达到要求。预紧力锚固力达不到要求时，迎头后方应补架棚加强支护。

3 创新与优点

1）对自然平衡拱理论进行创造性应用和拓展，提出自然平衡拱2 种属性—稳定承载性和自行垮空性，并应用于破碎围岩控制领域。破碎围岩巷道掘进时，破碎岩体自然垮落形成平衡拱发生在巷道设计顶板线上方，造成顶板上方冒漏，其作用往往是负面的，其形成往往也是被迫和强加发生的。但任何事物都有两面性。通过开挖断面下部分岩体，在巷道设计顶板线下方（断面上半部）主动创造自然平衡拱，运用拱体稳定承载性支撑和托住了巷道设计顶板线上方破碎岩体，阻止了上覆岩体冒漏；运用拱内自行垮空取代了对断面上部分岩体的人工开挖。变被迫强加发生为主动积极创造，变消极负面作用为正面有利效应，极大拓展了自然平衡拱理论应用范围，为自然平衡拱理论注入新内涵。

2）提出自然平衡拱托顶施工法，形成包含分部施工、托顶施工、掘进与防治一体化施工等多种施工方法在内的掘进巷道过破碎岩体安全快捷施工工艺，对特殊条件下井巷施工和围岩控制有一定参考价值和启发意义。

3）克服了常用掘进方法迎头易冒漏的缺点，解决了常用防治迎头冒漏方法工序多、时间长、成本高、效率低的问题，将掘进施工和防治迎头冒漏这2 个过程合为一体，在掘进施工中防治，在防治中掘进施工，在防治迎头冒漏的同时，提升掘进速度和工效，减少防治费用投入，实现了快捷掘进以及安全和效益双赢。

4）提出自然平衡拱2 种属性观点，提出破碎条件下掘进施工与防治迎头冒漏一体推进观点，提出主动创造自然平衡拱、以拱体支撑顶板、以垮空代替开挖观点，提出变自然平衡拱消极负面作用为积极有利效应观点，提出变自然平衡拱被迫强加发生为主动积极创造观点，以上观点具有原创性，对破碎围岩控制的理论和实践具有一定的意义和价值。

4 工程实践

同发东周窑矿井地质条件十分复杂，构造区和破碎带频繁出现，一段时期，掘进迎头冒漏时常发生，严重影响安全和掘进工效，额外增加投入。近年来，利用自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术，迎头冒漏大幅降低，掘进速度和工效明显提升，处理冒漏费用日益减少，高效保障了安全生产。

5206 巷为综采放顶煤面通风巷，沿煤底掘进，机掘工艺，矩型断面，巷宽5 m，巷高3.8 m，顶煤厚8～9 m，正常条件顶板支护方式为钢筋网锚杆钢带单点锚索。2020 年6 月20 日—2020 年6 月25 日，掘进在里程659～696 m 一段受节理裂隙发育和破碎带影响，顶煤破碎难以留住，用自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术，消除和控制了迎头冒漏，仅用6 d 时间就安全快速通过破碎区，比常用掘进方法和常用防治迎头冒漏方法减少工时3 d，节约高分子材料加固费用约15 万元。采用由底板逐渐向上边挖掘边观察拱顶位置的挖掘工艺，当下部分高度开挖至距底板以上高2 m 时，上部分破碎煤体自然垮落，中部冒高1.8～2.0 m，形成不规则自然平衡拱，拱顶中部正好位于巷道设计顶板线位置。稳定拱体形成后，敲帮问顶并临时支护，之后对拱顶中部1 m 宽范围进行永久支护，先用钢筋网片挂单点锚杆支护，屈服强度500 MPa 高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆规格ϕ22 mm×2 400 mm，450 mm×280 mm×3 mm短W 型钢带，150 mm×150 mm×10 mm 小钢托盘，全长锚固[15-16]，排间距视现场条件以500～700 mm灵活布设，预紧扭矩400 N·m，设计锚固力190 kN；之后在顶中央打设1 组3 眼组合锚索支护，锚索规格ϕ21.8 mm×8 300 mm，600 mm×600 mm×16 mm 钢板托盘，预紧力290 kN，设计锚固力520 kN。完成中部永久文护后，在左右两侧倾斜向上55°～75°打设斜拉全长锚固锚杆对两肩角上部斜拉加固，为扩刷肩角部做准备；之后，用掘机刨头轻扫扩刷两肩角部，每次扩刷宽不超1 m，以顶部不垮落为准；扩刷肩角部后完成第一次肩角部永久支护；重复以上斜拉加固支护、扩刷肩角部、永久支护工序，逐步形成巷道断面轮廓。重复以上工艺直至通过破碎区。

5 结 语

1）自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术，克服了常用掘进方法迎头易冒漏和常用防治迎头冒漏方法工序多、时间长、成本高、效率低的弊端，改进常用掘进方法和常用防治迎头冒漏方法掘进施工与防治迎头冒漏分离的缺点，集掘进施工和防治迎头冒漏于一体，在掘进施工中防治，在防治中掘进施工，既防治了迎头冒漏，又提升了掘进速度和工效，减少了防治费用投入，实现了快捷掘进以及安全和效益双赢，是被实践证明了的高效解决破碎迎头冒漏问题的一种行之有效的掘进技术。

2）自然平衡拱托顶法防治破碎迎头冒漏快捷掘进技术，对自然平衡拱理论进行创造性应用和内涵式拓展，提出自然平衡拱的2 种属性—稳定承载性和自行垮空性，并应用到破碎围岩控制领域。提出分部施工、托顶施工、掘进与防治一体化施工等安全快捷施工工艺，提出掘进施工与防治迎头冒漏一体推进观点，提出分部开挖岩体主动创造和利用自然平衡拱观点，提出用拱体托住上覆破碎岩体、用拱内自行垮空取代人工开挖观点，提出变自然平衡拱强迫发生为主动创造、变自然平衡拱负面作用为有利效应观点，以上观点和工艺，具有创新性，极大拓展了自然平衡拱理论应用范围和内涵，对破碎围岩控制具有一定理论和实践意义。