采空區(qū)下大斷面切巷掘進(jìn)支護(hù)工藝優(yōu)化

張安慎

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰安煤業(yè)有限公司12103工作面位于一采區(qū)中部，上方為11#煤層11103 工作面采空區(qū)，東部為12102 工作面（正在回采），西部為12104 工作面（待掘），南部為井田邊界，北部為采區(qū)三條大巷。12103 工作面兩順槽與其上方11103 工作面兩順槽“內(nèi)錯(cuò)”布置，運(yùn)輸順槽內(nèi)錯(cuò)10 m，回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)5 m；12103 開切眼在12#煤層內(nèi)分兩段布置，一段位于11#煤層煤柱下方，二段位于11#煤層11103 工作面采空區(qū)下方，見圖1。

圖1 12103 工作面平面布置

12103工作面二切巷設(shè)計(jì)長度為80 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面規(guī)格，斷面規(guī)格為寬×高=6.5 m×2.7 m，巷道沿12#煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚度為2.3 m，施工巷道破底深度為0.4 m；12103 工作面二切巷與上覆11103 采空區(qū)層間距為11 m，層間巖體從下往上依次為炭質(zhì)泥巖 （2.7 m）、砂質(zhì)泥巖（3.5 m）、砂巖（4.8 m），見圖2。

圖2 12103 工作面空間位置剖面

2 二切巷掘進(jìn)支護(hù)工藝及問題分析

2.1 巷道掘進(jìn)支護(hù)工藝

（1）12103 工作面二切巷主要采用分段爆破掘進(jìn)施工工藝，先采用光面爆破施工工藝掘進(jìn)煤柱幫，掘進(jìn)寬度為3.5 m，掘進(jìn)到位后再采用松動(dòng)爆破施工工藝進(jìn)行擴(kuò)幫施工，擴(kuò)幫寬度為3.0 m，巷道已掘進(jìn)14 m。

（2）原支護(hù)設(shè)計(jì)中二切巷主要采用錨桿、鋼帶、金屬網(wǎng)（14#鐵絲編制）、單錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置7 根錨桿，錨桿長度為2.0 m，直徑為20 mm；錨桿間排距為1.0 m；每排施工兩根W型鋼帶，鋼帶長度為3.5 m，鋼帶上焊制4 個(gè)錨桿支護(hù)孔；頂板每排布置4 根單錨索，錨索間距為1.6 m，排距為3.0 m，錨索長度為6.3 m，直徑為17.8 mm。

2.2 問題分析

（1）應(yīng)力破壞嚴(yán)重。12103 工作面二切巷上覆為11103 工作面采空區(qū)，12#煤層與其上方11#煤層層間距為11 m，層間巖體平均單軸抗壓強(qiáng)度不足30 MPa，受采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，二切巷頂板巖體裂隙發(fā)育，破壞了切巷頂板懸臂梁，導(dǎo)致切巷頂板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為頂板斷裂、破碎、下沉等。

（2）圍巖承載能力差。12103 工作面二切巷原巷道斷面為矩形斷面，當(dāng)頂板破碎承載能力降低時(shí)，在應(yīng)力傳遞作用下巷道兩幫肩角煤柱剪切破壞嚴(yán)重，巷道肩角煤柱預(yù)留難度大，加大了肩角煤柱支護(hù)難度及支護(hù)成本費(fèi)用，降低了巷道成型率。

（3）支護(hù)質(zhì)量差。二切巷直接頂為炭質(zhì)泥巖，通過對(duì)頂板施工深度為3.8 m 窺視鉆孔觀察發(fā)現(xiàn)，頂板往上0～2.0 m 范圍內(nèi)內(nèi)為嚴(yán)重破碎區(qū)，在2.0～2.8 m 范圍內(nèi)為下沉裂隙區(qū)，在2.8～3.8 m 范圍內(nèi)巖體相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，見圖3。而原頂板支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板錨桿長度為2.5 m，錨桿錨固端位于巖體下沉裂隙區(qū)內(nèi)，錨桿錨固效果差，很容易出現(xiàn)錨固失效現(xiàn)象，降低了錨桿支護(hù)質(zhì)量。

圖3 12103 工作面二切巷頂板巖性窺視

3 大斷面切巷掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)

3.1 巷道斷面規(guī)格優(yōu)化

（1）為了確保巷道圍巖能夠適應(yīng)頂板高應(yīng)力持續(xù)沖擊破壞作用，降低巷道肩角煤柱垮落、破碎現(xiàn)象，決定對(duì)巷道斷面規(guī)格進(jìn)行合理優(yōu)化。優(yōu)化后巷道斷面成梯形，巷道上寬6.5 m，下寬6.9 m，巷道兩幫與底板夾角為12°。

（2）巷道采用機(jī)械化分段施工工藝，大斷面規(guī)格為直角梯形，上寬4.0 m，下寬4.2 m，大斷面采用掘進(jìn)機(jī)一次性成巷； 小斷面同樣為直角梯形，上寬2.5 m，下寬2.7 m，采用松動(dòng)爆破施工工藝，巷道掘進(jìn)長度為66 m。

3.2 巷道支護(hù)工藝優(yōu)化

（1）頂板注漿錨桿施工

為了對(duì)頂板裂隙巖體進(jìn)行粘結(jié)封堵，加強(qiáng)頂板錨桿支護(hù)質(zhì)量，決定對(duì)原頂板錨桿進(jìn)行優(yōu)化，采用注漿錨桿+JW型鋼帶支護(hù)。

①大斷面處巷道頂板施工一根長度為4.0 m，寬度為0.28 m“JW”型鋼帶，每根鋼帶上焊制5 個(gè)支護(hù)孔，孔間距為0.9 m；擴(kuò)幫處頂板施工一根長度為2.5 m“JW”型鋼帶，鋼帶上焊制3 個(gè)支護(hù)孔，孔間距為0.9 m，施工時(shí)兩根鋼帶疊加布置，鋼帶排距為1.2 m。

②優(yōu)化后將原頂板普通錨桿替換為注漿錨桿。注漿錨桿長度為3.5 m，直徑為25 mm，注漿錨桿主要由高強(qiáng)度鋼制材料制成，錨桿為中空狀，中部圓孔直徑為12 mm，在注漿錨桿底部往上0.9～1.9 m范圍內(nèi)錨桿外側(cè)均勻焊制4 排圓孔，每排三個(gè)，孔徑為8 mm，外部圓孔與桿體內(nèi)部圓孔聯(lián)通。

③每根注漿錨桿采用三支錨固劑錨固，一支MSKC23/35 超快速型，兩支MSK23/60 快速型。注漿錨桿安裝后對(duì)每排第二根、第四根、第六根錨桿進(jìn)行注漿施工，注漿液采用聚氨酯化學(xué)粘合劑，注漿壓力為1.2 MPa。

（2）梯形棚施工

為了進(jìn)一步加固巷道圍巖穩(wěn)定性，提高大斷面二切巷頂板整體穩(wěn)定性，二切巷掘進(jìn)到位后且頂板支護(hù)施工完后，在巷道內(nèi)架設(shè)一排梯形棚。

①二切巷安裝的梯形棚主要由11#工字鋼焊制而成，頂梁長度為6.2 m，兩根棚腿長度為3.2 m，在頂梁兩端各切割一個(gè)長為0.3 m，寬度為0.08 m方孔，在棚腿頂端焊制一根卡扣并與頂梁方孔活動(dòng)連接。

②梯形鋼棚安裝間距為1.2 m，鋼棚安裝后在鋼棚與頂板、巷幫處采用厚度不小于50 mm、寬度不小于150 mm，長度為1.5 m 水泥背板進(jìn)行背牢；為了防止倒棚事故發(fā)生，梯形棚安裝后在相鄰兩架鋼頂梁之間采用三根鋼筋拉桿進(jìn)行連接，見圖4。

圖4 12103 工作面二切巷優(yōu)化后支護(hù)平剖面

4 結(jié)語

截止2020年3月12103 工作面二切巷已掘進(jìn)到位，對(duì)二切巷掘進(jìn)支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道在后期掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)頂板破碎、斷裂現(xiàn)象，頂板最大下沉量控制在120 mm 以下，兩幫肩角煤柱未出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，成效顯著。

1）與傳統(tǒng)矩形斷面相比，梯形斷面巷道在高應(yīng)力作用下，兩幫煤柱對(duì)頂板產(chǎn)生一個(gè)斜向上的支撐作用力，該作用力可分為垂直向上和水平方向的兩個(gè)分力Fy、Fx，F(xiàn)y分力可削弱頂板垂直應(yīng)力破壞作用，而Fx分力對(duì)頂板起到擠壓作用，控制了頂板破碎、裂隙發(fā)育現(xiàn)象。

2）對(duì)巷道頂板采用注漿錨桿后，解決了傳統(tǒng)錨桿長度不足、錨固效果差等技術(shù)難題，注漿錨桿不僅實(shí)現(xiàn)了全長錨固效果；而且在錨固過程中通過注漿施工對(duì)鉆孔壁裂隙進(jìn)行充分填充粘結(jié)，既提高了錨桿支護(hù)效果，又提高了頂板破碎巖體整體穩(wěn)定性。

3）通過對(duì)二切巷頂板施工梯形鋼棚后，進(jìn)一步提高大斷面巷道頂板承載梁穩(wěn)定性，防止了頂板在應(yīng)力作用下出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，控制了頂板離層、下沉量，保證了巷道成型及穩(wěn)定性。