穿層巷道掘進施工工藝研究

柴俊濤

（大同煤礦集團雁崖煤業公司，山西 大同 037003）

1 概況

大同煤礦集團雁崖煤業公司三盤區回采煤層為山西組4#煤層（山4#層）以及太原組2#煤層（2#層），各煤層平均厚度為3.5m，兩煤層間距為18m且主要為炭質泥巖與粉砂巖混合層為主。西翼皮帶巷設計長度1200m，巷道斷面規格為寬×高=4.5×3.5m，巷道從2#層皮帶巷開口施工，并7°仰角上山掘進，當巷道上山掘進150m后與山4#煤層貫通，然后繼續掘進32m，施工巷道沿山4#煤層平行掘進，施工巷道上山掘進階段采用爆破施工工藝。

西翼皮帶巷上山掘進階段采用爆破施工工藝，巷道頂板采用“W”型鋼帶、金屬網、錨桿、錨索聯合支護，頂板鋼帶規格為長×寬=4.2×0.25m，鋼帶垂直巷道布置，間距為1.0m；頂板錨桿采用長度為2.5m，直徑為22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置5根，錨桿間距×排距=0.9×1.0m；頂板錨索采用長度為5.0m、直徑為17.8mm預應力鋼絞線，每排施工3根，錨索間排距為間距×排距=1.6×3.0m。

由于巷道上山掘進穿層階段頂板壓力較大，為了保證巷道安全掘進，對巷道穿層階段主要存在的技術難題進行預先分析，采用合理有效的穿層施工工藝及支護措施。

2 巷道穿層期間的困難

（1）由于三盤區掘進煤層為石炭系煤層，煤層發育不穩定，呈破碎狀，煤層普氏系數f＜2.0，單軸抗壓強度6.7～8.4MPa，煤體承載能力差。西翼皮帶巷在與山4#煤層貫通后上山掘進時，巷道頂板破碎現象嚴重，易發生局部冒落。

（2）西翼皮帶巷以7°仰角上山掘進，巷道與山4#煤層貫通時頂板壓力相對較大，頂板應力垂直向下，而頂板支護體與頂板斜面垂直布置，支護體支護分力小于頂板垂直應力，無法滿足支護要求，頂板很容易發生局部垮落。

（3）巷道在與山4#煤層貫通期間以及沿4#煤層上山掘進期間，頂板煤巖體厚度不斷發生變化，巷道頂板原支護體在局部區域錨固端位于煤體或煤巖體交界處，支護體錨固質量差，一旦頂板壓力加大，頂板離層、破碎時，支護失效現象嚴重。

3 巷道穿層施工工藝

為了防止巷道穿層期間及穿層后上山掘進時頂板應力大、發生頂板局部垮落事故，通過技術研究，決定采用臺階法上山掘進。臺階法上山掘進主要是在巷道上山掘進期間通過施工頂板平段，將整個上山掘進段分成若干個掘進斜巷，并及時對頂板采取合理有效的支護措施，從而緩解了頂板壓力集中現象，避免頂板垮落事故發生。

西翼皮帶巷上山掘進150m處且揭露山4#煤層時開始施工第一個平段，平段設計長度為5m，平段施工期間嚴禁空頂作業，及時補打支護。

當第一個平段施工完后，巷道繼續以7°斜坡上山掘進。當巷道上山掘進長度為8.0m時施工第二個平段，施工工藝及支護工藝與第一個相同。依次類推，直至巷道揭露山4#煤層頂板后沿煤層頂底板平行掘進。

西翼皮帶巷與山4#煤層貫通，共施工4個平段。

4 穿層期間支護工藝

4.1 平段掘進期間補強支護

巷道平段施工期間，頂板采用密集錨索吊棚作為加強支護，每架錨索吊棚主要由三根長度為8.0m、直徑為17.8mm預應力鋼絞線以及一根長度為4.0m工字鋼梁組成，錨索吊棚垂直巷道布置，間距為1.0m。

4.2 注漿支護

對破碎頂板施工注漿鉆孔，注射高強度粘劑，提高破碎頂板穩定性及承載能力，降低頂板事故率。

（1）巷道第一個平段施工完后，在工作面距頂板1.0m處施工一排注漿孔，共計四個，注漿孔深度為5.0m，直徑為45mm，間距為1.0m，注漿孔以45°仰角布置。

（2）注漿孔施工完后，采用專用注漿泵向孔內注射馬麗散與催化劑配比為1:1的漿液，待煤壁出現漿液滲透時及時停止注漿，并采用水泥砂漿進行封孔。

（3）注漿施工完3h后方可繼續掘進，當巷道掘進4.0m后施工第二排注漿孔，每個平段間斜巷頂板共施工兩排注漿孔。

4.3 超前錨桿支護

超前錨桿支護主要在巷道設計頂板位置施工一組加強錨桿支護體，巷道在掘進期間可以起到超前支護作用，避免頂板大面積垮落事故發生。

（1）巷道掘進150m后在穿層斜巷段設計頂板位置施工一排超前支護鉆孔，鉆孔直徑為30mm，深度為4.0m，鉆孔以7°仰角布置，工作面每排施工9個支護鉆孔，間距為0.5m。

（2）超前支護鉆孔施工完后，在每個鉆孔內依次填裝兩支MSKC23/35型樹脂藥，以及一根長度為4.5m、直徑為25mm的高強度螺紋錨桿，并采用手持式鉆機將其錨固，錨固后錨固力不得低于10t。

4.4 邁步式“T”型支護

斜巷段通過施工邁步式“T”型支護，增加支護體對頂板支護面積，從而有效防止頂板局部破碎，以及頂板下沉現象。

（1）“T”型支護主要由長度為2.5m、直徑為22mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，以及一塊長度為0.8m、寬度為0.5m鋼板組成。

（2）“T”型支護施工在頂板相鄰三根鋼帶中間且垂直鋼帶布置，在第一排與第二排鋼帶中間施工兩組“T”型支護，間距為3.0m，第二排與第三排鋼帶中間施工一組“T”型支護，相鄰三組“T”型支護呈邁步式布置，如圖1所示。

4.5 優化頂板原支護設計

西翼皮帶巷在上山掘進期間，為了防止煤巖層厚度變化，造成頂板原支護體錨固端位于煤巖交界處，導致出現頂板支護失效現象，對局部區域原支護體進行優化設計。

（1）當西翼皮帶巷道掘進至108m、138m時，頂板錨索錨固端分別位于2#層頂板巖石層與山4#煤層之間以及山4#煤層與其頂板巖石層之間，此時錨索錨固效果差。巷道在上山掘進100～110m以及135～140m范圍內，頂板錨索采用長度為8.0m預應力鋼絞線。

（2）當巷道掘進至129m、158m時，頂板錨桿錨固端分別位于2#層頂板巖石層與山4#煤層之間以及山4#煤層與其頂板巖石層之間，此時錨桿錨固效果差。巷道在上山掘進125～130m以及155～1160m范圍內頂板錨桿更換為長度為5.0m預應力鋼絞線。

圖1 西翼皮帶巷穿層上山掘進頂板支護斷面、平面圖

5 結語

通過技術研究，在西翼皮帶巷穿層期間采用臺階法掘進施工工藝，采用“超前錨桿支護+注漿+邁步式T型支護”等聯合支護法，取得了以下效果：

（1）采用臺階法進行上山掘進，用錨索吊棚對臺階處頂板加強支護，降低了頂板壓力集中現象，避免了頂板垮落事故發生。

（2）注漿法的使用，大大提高了上山階段破碎巖體膠結穩定性，注漿后頂板破碎巖體單軸抗壓強度提高至52.7MPa。

（3）施工超前錨桿支護加強了巷道上山階段頂板穩定性，避免了因巷道爆破施工后頂板支護不及時、頂板受爆破震動影響出現局部垮落。

（5）對層上山階段頂板施工邁步式T型支護，解決了頂板鋼帶支護斷面小，鋼帶間聯鎖保護性差等技術難題，增加了支護斷面，有效防止了頂板下沉。