近距离煤层巷道掘进工艺分析及支护技术研究

王 建

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

1 简述工程状况

15#煤在矿井的东翼且15#煤的回采已完成，将工作面布置到煤层中，且工作面的数量是3 个，在实体下布置150108轨道顺槽，从150108胶带的开口一直到600m 段都在实体煤下，600~720m 段都在150102 采空区下，上覆的采空区与巷道的间距平均是4.5m，是近距离掘进采空区下的巷道，如图1就是其关系图。

图1 150108胶带巷与上覆采空区对应关系图

2 优化巷道断面

2.1 目前巷道掘进的状况

在150108 胶带巷中，会对综合机械化掘进工艺进行使用，掘进的巷道距离是620m。在巷道掘进初期，巷道的断面是矩形的，将锚索+锚杆联合支护使用到巷道顶板中，锚杆的直径与长度分别是22mm、2.4m，托盘的规格是150mm×150mm×10mm；相邻锚杆的间距与排距分别是1.0m、0.9m，1 排所布置的锚杆数量是5 根。将预应力钢绞线使用到顶板的锚索中，且钢绞线是低松弛高强度的、股数是1×19，其直径与长度分别是21.8mm、4.0m，会选取“三·二”进行布置，所布置的排距与间距分别是1.8m、1.6m，在相邻锚杆之间的顶板核心安装着锚索[1]。

在150108胶带巷中，从开口到600m段的掘进是比较稳定的，在这个阶段的顶板锚索（杆）支护也有比较好的效果，两帮的收敛量小于0.17m，顶板所发生的变形量小于0.12m，没有两帮垮落、顶板破碎等状况出现。在巷道掘进到600m 位置时，就进到了15#煤层上覆的150102工作面采空区下，在巷道又掘进10m时，因为上覆的采空区剩余应力和巷道的开挖应力所产生的影响，就会有破碎出现在层中的岩体，就会有裂隙在岩体中发育，有失稳出现在围岩中，两帮垮落、顶板破碎，顶板锚杆支护的效果下降了17%，且顶板下沉量最大是0.38m，两帮垮落深度最大是1.4m。

2.2 优化巷道断面

（1）由于要把采空区剩余的应力破坏两帮的程度降低，将两帮支承顶板的强度增加，推动不间断应力梁形成于顶板，在巷道掘进到620m 位置时，就要优化巷道断面，用梯形断面来取代矩形断面。

（2）在优化之后，巷道梯形断面的高度是3.2m，底板与顶板的宽度分别是5.2m、3.8m，且两帮与迎山的度数是78°，巷道支护的有关设计并没有改变。

（3）在近距离采空区下对巷道进行掘进时，由于要将成型巷道的成功率提高，避免进行一次性掘进过程中，不能很好地控制掘进进度，导致有垮落出现在顶板，并决定将分层掘进工艺使用到620~720m段的巷道中，且分层掘进工艺结合了爆破和机械。就是将松动爆破使用到其下断面，将掘进机进行掘进使用到了其上断面。

（4）梯形断面就是下断面，梯形断面上边与下边的宽度分别是5.0m、5.2m，断面的高度是5.0m。将松动爆破孔布置到下断面中，且松动爆破孔是2排，松动爆破孔的直径与孔深分别是40mm、1.0m，所布置的钻孔的间距是1.0m，1排所布置的数量是5个，所布置的2排钻孔的排距是1.2m，将钻孔布置为三花。将发电雷管与乳化炸药都填装到钻孔中，且发电雷管与乳化炸药的数量都是1个，选取水炮泥将炮孔封住，而且封孔的长度要在0.5m以上，1次就要爆破3个钻孔。

（5）在将下断面进行爆破之后，由于爆破所产生的震动，就会有围岩裂隙出现在其煤体中，使围岩的岩体强度与稳定性降低了，这时会选取掘进机来掘进上断面，单茬所掘进的深度是0.8m。

3 “注浆锚杆+锚索钢梁+梯形棚”联合支护的使用

由于要将近距离采空区下对巷道进行掘进过程中顶板所具有的稳定性提高，避免有垮落出现在顶板，以之前的顶板支护为基础，在将“梯形棚+锚索钢梁+注浆锚杆”联合支护施工到顶板中[2]。

3.1 注浆锚杆支护的使用

（1）之前巷道顶板的锚杆会和注浆锚杆相互配合着使用，在布置注浆锚杆时，会使用“三·二·三”的方式，用注浆锚杆取代之前的顶板各个排的5#（帮部）、3#（中部）、1#（帮部）锚杆，然后，2#与4#依然采用之前顶板的螺纹钢锚杆，注浆锚杆会使用到下一排的2#与4#中，依次类推。在布置注浆锚杆时，其排间距是2.0m。图2就是其示意图。

图2 15108胶带巷联合支护断面、平面示意图（单位：mm）

（2）将注浆锚杆施工到150108胶带巷的顶板，且注浆锚杆是用钢管直接焊接形成的，钢管是中空无缝的，钢管的直径与长度分别是40mm、3.5m，将注浆射孔焊到注浆锚杆的顶部，所焊制的注浆射孔数量是3排，相邻孔之间的距离是0.3m，射孔的直径是10mm，1排就7个射孔。

（3）注浆锚杆的施工步骤是:①钻孔施工。②注浆锚杆的锚注。③注浆软管的安装。④将泵打开，进行注浆。⑤承载件的安装。将聚氨醋粘合剂用作注浆液，1个孔的注浆量是21.5kg，注浆压力是2.5MPa。

3.2 施工锚索钢棚

由于要将顶板所具有的承载强度提高，避免有下沉与破碎出现在顶板中，就将锚索钢棚支护施工到顶板中。

（1）连接纵梁、恒阻锚索、JW型钢梁等部分构成了锚索钢棚支护，JW 型钢梁的宽与长分别是0.32m、4.5m，锚索支护孔会布置到钢梁中，且数量有3个，相邻孔之间的距离是1.8m。

（2）恒阻锚索的直径与长度分别是21.8mm、4.0m，将12#槽钢直接焊接成连接纵梁，并且纵梁总长是2.2m，将纵梁的上部与下部所焊成的形状是凹槽状，固定JW型钢梁和槽钢纵梁的是卡缆。

（3）第一步就是将JW型锚索钢棚施工到相邻锚杆中间存在空隙的顶板中，在布置钢棚时，其排距是2.0m，用3 根恒阻锚索来固定1 架JW 型钢棚。在安装JW 型钢梁及预紧之前，会将纵梁3 根安装在相邻的吊棚中间，并进行固定，在安装纵梁之后，在预紧JW型吊棚，在预紧之后，在保证顶板和JW型梁、纵梁的接触比较严实。

3.3 梯形棚支护的使用

由于要将两帮与顶板围岩所具有的抗载荷力提高，将顶底板在垂直方向的应力破坏两帮与顶板的力度降低，将梯形钢棚架设到其下段，且所架设的梯形钢棚是非常密集。

（1）拉杆、卡缆、底座、棚腿2 节等部分构成了每1架的梯形棚。会选取螺母来对底座与棚腿进行固定，将U29型钢直接焊制成棚腿，所焊制的棚腿总长3.5m，将对接钢板安装到棚腿的最顶端，将卡缆固定孔焊制到钢板中，且卡缆固定孔的数量是4个。

（2）5 根圆钢和夹板构成顶梁，且圆钢的直径是30mm，顶梁的长度与宽度分别是4.2m、0.5m，将2 个对接钢板分别焊到顶梁的2个顶端上，对接钢板的参数和棚腿最顶端的相同，图2就是其示意图。

（3）在安装梯形棚时，其间距是2.0m，安装梯形棚的步骤是：①底座。②棚腿。③顶梁。④连接杆。2架相邻的钢棚会被连接杆进行固定，且连接杆的数量是6根，长度是2.0m 的连接杆分别在顶梁与棚腿上进行安装，两帮和棚腿对迎山角的安装是相同的[3]。

4 成效

从开始掘进到2021 年6 月17 日，该胶带巷掘进到了780m，并从15#煤层上覆的采空区所影响区域中通过。将YH-300 型数字显示离层仪安装在该胶带巷掘进的650~700m段。经过现场半个月的观察得知，从开始到第8d，由于集中应力的作用，就会有变形出现在顶板，继而有下沉出现在顶板中；从第8d 到第12d，顶板所发生的下沉量慢慢下降，在12d之后，顶板基本上就稳定了，控制其下沉量一直小于0.12m。于此同时，在对联合支护技术进行使用之后，会将顶板所具有的承载强度增强，使顶板的垂直应力破坏两帮的力度降低，很好地控制了两帮的垮落，控制其垮落深度小于0.7m。