預留窄煤柱掘進施工探討

范雨濤

（西山煤電集團公司總調度室，山西 太原 030203）

多年來，隨著井巷的不斷延伸及受先天惡劣地質條件的限制，鎮城底礦逐漸暴露出資源不足的現狀。尤其是近幾年綜合機械化程度的大幅提高帶動了礦井產量的階梯式增長，進一步加劇了資源的緊張。針對于此，鎮城底礦在請教有關專家和借鑒國內、外相關經驗的基礎上，結合實際，大膽設想，提出了在確保安全的前提下，縮小相鄰工作面煤柱的初步構想，得到了上級有關單位的大力支持。并于2008年7月在南一采區22115工作面首次進行了該方案的嘗試，采取與相鄰工作面（22117工作面）預留5m煤柱施工巷道（22115工作面正巷）取得了較好的效果，積累了豐富的經驗，得到了國家有關部門的肯定。為了更好的總結經驗，下面以22115工作面正巷為例，對該種方案的支護設計進行簡要闡述。

1 工程概況

1.1 地質概況

22115 工作面井下位于南一采區，北為12210工作面（已采），南鄰22102-1工作面（已采），北東為22117現采，北西為22113采空區。其所采煤層為2#、3#煤層，煤層穩定，結構為1.91（0.27），1.01，煤層厚度為3.19m左右，煤層整體呈一向斜構造，軸向為北85°東。

表1 圍巖特征

1.2 工程概況

22115 正巷全長580m，沿2#、3#煤頂板掘進,采用機掘。

2 支護方式

2.1 預先支護

因22115正巷施工過程中22117正在正常回采。22117的回采動壓將影響22115正巷的地壓支護等，為減小施工過程中所留煤柱的破壞程度，確保22115正巷施工順利進行，在22115正巷開始施工起在22117副巷側須預先對5m煤柱進行加固。加固內容有兩項：

（1）開工起從22 117副巷超前維護處開始，在煤柱幫由里向外貼幫支設帶帽點柱，點柱間距2.0m，柱帽順巷道方向設置。

（2）從22 117副巷超前支護點起由里向外垂直煤柱預打加固錨索，其布置方式為等腰三角形，最上一根錨索距頂0.9m，第二根錨索距頂1.6m，一條線上的兩根錨索排距為3.6m。操作時打好眼后（眼深5.3m）將錨索穿到眼孔內，在22117副巷300mm，用木楔將錨索從眼孔內打緊（木楔不能外露）然后上好托盤，用大錘和專用套管將鎖具打緊（22 115正巷掘進施工割煤時，防止截割頭把預打錨索割壞，割煤時，人工配合截割頭刷出右幫，夠一個循環時，將網掛起，用錨索機將預留錨索鎖到30MPa，然后方可進行其他作業。）

2.2 頂板支護

頂板完整穩定時采用“錨桿+鋼筋網+錨索”進行支護，錨桿間排距為0.9m×0.9m，呈“五·五”排矩形布置，中間三根錨桿垂直頂板打注，其余兩根錨桿與頂板成80°打注。錨索呈“五花”布置，排距1.8m，頂板布置三根頂錨索時，間距1.2m，頂板布置兩根錨索時，間距1.5m，沿中心線順序向前對稱布置。在巷道右幫貼幫打一排點柱，柱帽順巷道布置，排距2m；循環進尺0.9m。

頂板裂隙發育較破碎時根據現場實際情況縮小錨桿排距到0.6～0.8m之間，錨索縮小到1.2～1.6m之間。

頂板特別破碎壓力大時，在原支護的基礎上加套金屬棚子，確需加套金屬棚子時，另外編寫專項措施。

2.3 兩幫支護

兩幫采用“錨桿+鐵絲網+梯子梁+錨索”進行永久支護。

左幫：錨桿按每排每幫3根布置，間、排距為0.9m×0.9m，最上一根錨桿距頂板0.3m；錨索采用5m長錨索，距頂板0.9m，排距3.6m。

右幫（煤柱）：錨桿按每排每幫3根布置，間、排距為0.9m×0.9m，最上一根錨桿距頂板0.3m；與22 117副巷（保護煤柱5m）之間按等腰三角形布置錨索，錨索長為5.6m，兩邊外露300mm。打好眼后，在22 117副巷用大錘和專用套管將鎖具打緊，然后在22 115正巷用錨索機將錨索鎖緊達到30MPa。當巷道掘至穿越預打錨索段時，右幫錨索由5.6m改為4.5m，邊掘邊打布置方式參數不變，錨固端使用3卷樹脂藥卷，其中一卷為MSCK2 355，兩卷MSZ2 355，MSCK2 355藥卷放置眼底，MSZ2 355放在MSCK2 355外端連續放置。所有錨索預緊力為30MPa。

壓力大、片幫較嚴重時兩幫鐵絲網改為用鋼筋網，同時根據現場實際情況調整錨索參數。

3 施工方法

采用EBZ-160型掘進機配合SDJ-150膠帶輸送機出煤連續作業，沿2#、3#煤頂板掘進。工作面割煤、運煤、運料平行作業，割煤、臨時支護、永久支護、延長膠帶輸送機依次進行。

3.1 施工工藝流程

交接班→安全質量檢查→巷道定向→割煤→臨時支護→永久支護→延長膠帶輸送機。

3.2 臨時支護

頂板破碎裂隙發育時使用肘式前探支護結構做為臨時支護。割完煤后，進行敲幫問頂等安全檢查，確無問題后，方可進行臨時支護作業。臨時支護的具體操作如下：

割煤前，將肘式前探固定器固定于工作面前三排中間兩根頂錨桿上。然后，將兩根4m前探梁分別套入同一軸線的三個吊環內，且尾部超出肘式前探固定器0.1m的安全距離。割完煤，進行詳細的敲幫問頂后，先掛網，掛網應兩人配合，一人扶網，一人聯網。掛網時，網間應對接，隔一孔連一扣，扭三匝，聯網結束后，將前探梁推移至工作面迎頭。由兩人踩上梯子將板梁托起，按間距1.0m放在前探梁上，用木楔打緊背牢，使臨時支護接頂有效。每次推移前探梁時，每根前探梁上必須有3個肘式前探固定器，吊掛肘式前探固定器的錨桿必須擰滿扣。

3.3 永久支護

3.3.1 頂錨桿的安裝

打錨桿眼前，先按設計要求進行定位、標記，同時在鉆桿上也要做一標記，以保證打眼深度。采用MQT-120型錨桿鉆機，長1.0m、1.5m、2.5m的六角中空鉆桿交替使用，φ27mmY型鉆頭打頂錨桿眼。錨桿鉆機由兩人操作，一人按眼，一人開機，先開水閥，開鉆時，輕按鉆機馬達手把，待眼位固定并鉆進一定深度時，掌釬工把手松開，退到機身后側監護。鉆機必須保持平穩，嚴禁前后左右搖擺，打眼時，不得來回拉動鉆桿，以免拉動擴大孔徑，眼深2.15m。錨桿眼打好后，取下鉆桿，將MSCK2 355、MSCZ2 355型各一卷藥卷依次放入錨桿眼內（MSCK2 355型在眼底），然后用預先上好連接頭的錨桿體將錨固劑送到眼底。外露0.3m時開始攪拌，邊攪拌邊推進，攪拌時間為15~20min，保持推力1min，然后取下攪拌機具，3min后將錨桿尾部螺母擰緊，使預緊螺母扭矩達到100N·m，達不到時重新補打，錨桿錨固力不小于90 kN。

3.3.2 幫錨桿的安裝

采用ZQST65/1.7/23S型鉆機配合φ19mm飛龍鉆桿和φ27mm煤鉆頭在巷道的兩幫按設計尺寸各打3個錨桿眼，眼深1.75m。先掛網，兩幫的鐵絲網必須與頂上的鋼筋網相搭接，采用8#聯網絲雙股每200mm連一扣，每扣扭3匝，聯網結束后，開始安裝錨桿。安裝時，必須將煤壁整修平整，鐵絲網鋪平緊貼煤壁布置。使用連接頭配合錨桿進行安裝，每眼內放MSCK2355型藥卷一卷，預緊螺母扭矩為100N·M，錨固力不小于50 kN。

3.3.3 錨索的安裝

利用MQT-120型鉆機配合ф19mm可接六方中空鉆桿和ф27mmY型鉆頭鉆孔，孔深6.3m。

安裝頂錨索時，將MSCK2 355、MSZ2 355型藥卷（幫錨索使用3卷樹脂藥卷，一卷為MSCK2 355，另外兩卷為MSZ2 355）依次放入孔內，操作時MSCK2 355放置眼底，用錨索將藥卷推至孔底，上好錨索安裝器，將錨索與鉆機連接。

開始時，鉆機低速運轉，均勻用力將錨索往里推當錨索外露1.0m時，快速鉆動鉆機，最終錨索外露0.2~0.3m，保持鉆機平穩攪拌30min后停止，再保持鉆機推力1min后，方可撤鉆機。

安裝錨索1 h后，開始上大托盤、小托盤和鎖具，用鎖錨機進行漲拉承載，保證漲拉壓力達到表顯30MPa，錨固力不小于200kN。漲拉過程中，人員嚴禁站在漲拉千斤頂下方45°錐體范圍內。

4 注意事項

（1）使用鉆機前，必須詳細檢查風壓、水壓是否正常，檢查風水管接頭是否牢固，上好潤滑油。

（2）安裝錨桿前，必須用高壓風（水）吹（洗）眼孔，高壓風（水）開啟時，管口前方嚴禁站人，更不得將管口對準人員。

（3）錨桿眼的方向、位置、深度和錨固劑的質量、數量必須符合要求，錨桿桿尾螺紋露出螺母的長度不得小于20mm，不得大于40mm，錨桿的托盤要與巖面全部嚴密緊貼，不得點接觸或線接觸，否則影響錨桿的支護質量。

（4）施工完畢，要使用力矩扳手進行檢查，頂錨桿初錨力不得小于100N·m,達不到時重新補打，頂錨桿的錨固力不小于90 kN，幫錨桿的錨固力不小于50 kN。

（5）巷道要及時進行支護，盡量縮短空頂時間，避免頂板較大離層，使支護更加困難。

（6）嚴禁人員空頂作業。作業過程要嚴格執行“敲幫問頂”制度。

（7）進入預打錨索段割煤時,截割頭應慢速移動謹慎操作，采用機掘配合人工刷幫，防止割壞預注錨索。

（8）割煤時煤柱幫嚴禁超挖，并保護好預注好的錨索。

5 材料要求

表2 材料要求

6 驗算支護參數

6.1 錨桿長度L

L≥(1.1+W/10)

=1.2［1.1+(4.0-4.3)/10］

=1.8-1.85(m)

式中：W：巷道毛寬，m；

L：錨桿長度，m；

n：圍巖穩定性系數，設計取1.1考慮到現有錨桿規格，取L=2.2m。

6.2 錨桿網度D

D≤0.5 L

≤0.5(1.8-1.85)

≤0.9-0.98（m）

考慮到圍巖松散破碎，加之先取L=2.2>(1.8-1.85)m，設計選取D=1m。

錨桿網度校核（下式中N為錨桿密度）：

N=1/D2

=1/1

=1（根 /m2）

4 200 mm×900mm的斷面,現場布置5根錨桿,即1.4根/m2，安全系數已能滿足要求。

7 經濟效益

7.1 直接效益分析

7.1.1 節約煤炭資源

G=L×H×D×C

=580m×3m×25m×1.37m3/t

=59 595 t

式中：G：煤炭質量，t；

L：煤柱長度，m；

H：煤柱高度，m；

D：煤柱寬度，m；

C：煤炭容重，m3/t

7.1.2 消耗材料

主要消耗為預先支護產生的成本：①打點柱：每米消耗坑木3m×（0.1m×0.1m×3.14）/2+（800mm×200mm×200mm）/2=0.0 631m3，0.0 631×828m3/元×580m=30 303.15 元；②打錨索：每米消耗錨索0.6套，0.6×158.26套/元×580m=55 074.5元；③人工消耗：0.3人/m×30元×580 m=5 220元；④總消耗：30 303.15+55 074.5+5 220=90 597.65元。

7.1.3 節約

7.2 潛在效益分析

（1）有力地減輕了采掘銜接緊張的壓力。

（2）采用錨網聯合支護方式，使頂板與錨桿形成一個整體，有效地控制了巷道頂板的早期離層，大大減少了巷道的維修，降低了二次維護費用。使回采工作面端頭支護及超前支護工藝簡化，與金屬支架支護巷道相比，取消了超前替棚工序，減少了事故隱患和端頭維護工作量，從而加快了回采工作面的推進速度。

（3）采用錨網聯合支護方式，減少了材料運輸量，提高了運輸安全程度，并且進一步加快了巷道掘進速度。

（4）采用加錨索全錨支護，支護材料重量輕，減輕了工人的勞動強度；并且有效斷面利用率大，減少開挖實體煤量，從而提高了掘進速度。

（5）采取預打幫錨索，能超前加固煤柱，減小煤幫側壓，更好的維護煤幫，防止垮幫。

表3

8 問題與建議

（1）要加強施工巷道的頂板離層監測。巷道每掘進50m在巷道中心線上安設一個EL-3或LBY-3型頂板離層指示儀并掛牌管理，牌板上要注明編號、里程、安裝日期、地點，初始讀數，負責人等內容。觀測頻率：距工作面最近的一個測站每天觀察一次，其他測站每周一次。

（2）為了確保錨桿、錨索支護有效，每隔50m由掘進隊組配合測繪中心地質組對巷道頂底板巖性進行打眼探測，及時修正綜合柱狀圖，頂底板巖層分布參數發生變化時，及時調整錨桿、錨索支護參數，確保支護有效。

（3）掘進施工中，遇斷層、破碎帶、陷落柱時，要及時縮小錨桿，錨索的間、排距并立即匯報區礦調度，盡快探測構造的走向、范圍，盡快制定專門措施。

（4）為了進一步降低工時消耗，減輕作業強度，提高生產效率。應結合實際，積極探索新型臨時支護。

（5）盡管使用鋼筋網能有效地防止“網肚”，減少了巷道下沉量，但在現場施工中，要盡量使頂板平整，要加強對聯網質量的監督檢查，確保鋼筋網發揮效力。

（6）打煤柱幫錨索時，根據現場壓力變化及煤幫松軟情況，可在兩根錨索間加梯子梁（φ14×2 200mm），以加強煤幫的維護。

（7）施工前，要制定詳細的防瓦斯、防火、防水措施。