復雜條件下煤巷分層掘進施工工藝探析

張照宇

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037000）

馬脊梁礦在上覆采空區的影響下，工作面過輔運巷期間，由于再生頂板膠結不充分，遇到煤層變薄帶會使頂板壓力增大而出現破裂，影響掘進施工的安全性，進而影響掘進速度和效率[1-3]。8125工作面掘進至757 m時進入斷層影響區，巷道的成型效果差，支護難度大，頂板破碎比較嚴重，采用傳統的施工工藝不能保證正常的掘進安全和施工速度。因此，研究決定采用分層掘進的施工方法，并進行合理支護，以確保巷道的施工安全。

1 概況

馬脊梁礦一盤區8125工作面煤層結構復雜，煤層厚度為5.58～8.10 m，平均4.87 m，局部含有4～5層矸石，厚度為0.21～0.88 m。矸石的巖性多為砂泥巖、高嶺巖，局部煌斑巖侵入，其周圍5～10 m范圍內煤發生變質。煤層傾角1°～5°，以暗淡型煤巖為主，煤種主要是氣煤，與上覆14-3#煤層的層間距為189～222 m。

2 分層掘進施工工藝

2.1 施工原理

在巷道全斷面發生爆破時，爆破的威力會削弱圍巖的穩定性，使承載梁出現斷裂現象。為了避免對巷道圍巖造成的破壞，采用分層爆破的方法，將巷道分成上下兩層，通過合理設計炮眼位置、爆破方式以及裝藥量等相關參數，分多次進行爆破，降低對巷道圍巖的破壞[4-5]。

2.2 施工工藝

（1）以巷道中線作為控制線，用紅漆標定出皮帶巷的兩幫，并在皮帶巷上搭設一個寬度為4.5 m、長度為5.0 m、高度為2.0 m的工作盤。在工作盤中部輸送機上方預留一個漏煤口，漏煤口長3.0 m，寬度為1.0 m。在施工期間，為了確保施工的安全性，在工作盤的兩側加裝金屬網進行護欄。

（2）搭設好工作盤后，在距離工作盤25 m處安裝兩臺局部通風機和風筒。

（3）在機頭處施工絞車硐室，采用松動爆破法進行施工，絞車硐室的寬為4.5 m，高為3.2 m，深度為3.0 m，硐室的頂板與機頭段的頂板處于同一位置。

（4）在硐室內安裝一個耙巖機，在漏煤口安裝兩根滾管，以減少對鋼絲繩的磨損，滾管的直徑為0.2 m，長度為0.8 m。

（5）對皮帶巷頂板進行挑頂，挑頂斷面的長度為4.5 m，寬度為4.5 m，深度為2.2 m，在挑頂后及時進行永久支護。

（6）采用分層爆破施工方法，從皮帶巷向軌道巷進行施工，斷面寬度為4.5 m，高度為3.2 m。在巷道掘進10 m后，從頂板下山掘進，斜坡角為7°，繼續掘進8.5 m后沿煤層頂板平行掘進，確保巷道的高度達到3.0 m，直到與軌道巷貫通。分層爆破施工剖面圖如圖1。

圖1 分層爆破施工剖面圖（mm）

（7）在巷道貫通后，在皮帶巷預留底煤的平臺上安裝耙巖機，繼續向機頭段施工，施工工藝與上述相同。機頭段的分層爆破施工剖面圖如圖2。

圖2 機頭段分層爆破施工剖面圖（mm）

（8）上分層施工完成后，再采用爆破起底方法對下分層的預留底煤進行施工，確保巷道的斷面尺寸符合相關設計要求。

3 聯合支護

為了提高巷道頂板的穩定性，對分層爆破的開口段進行聯合加強支護，采用撞楔超前支護+恒阻錨索桁架支護+雙梁梯形棚的支護方式[6-8]。

3.1 撞楔超前支護

為了預防因支護不及時出現的頂板冒落情況，在爆破施工前對頂板進行撞楔超前支護。采用空鋼管與煤壁垂直方向進行支護，鋼管的長度為3.0 m，直徑為30 mm。具體為：采用手持式鉆機對巷道頂板位置進行鉆孔施工，鉆孔深度為3.0 m，直徑為35 mm，每個鉆孔之間的距離為0.5 m，依次在鉆孔內安裝錨固劑和支護體，并用鉆機進行錨固，支護體要超出鉆孔0.3 m。撞楔超前支護后對巷道進行爆破，爆破掘進1.0 m后，采用錨桿錨索對頂板進行永久支護，中間使用托板或鋼帶進行預緊。

3.2 恒阻錨索桁架支護

為了預防在掘進過程中受應力作用而導致頂板出現下沉和離層等現象，對頂板進行恒阻錨索桁架支護[9-10]。通過預緊兩根有傾角的錨索，在錨索產生主動支護的同時，產生一個垂直向上的被動支撐，減少頂板垂直向下的應力。使用一個雙向張拉器、兩根恒阻錨索、兩根螺紋鋼錨桿進行支護。其中，恒阻錨索的直徑為21.6 mm，長度為8.0 m；螺紋鋼的直徑為22 mm，長度為1.6 m，在螺紋鋼的兩端焊接一個孔徑25 mm的圓孔。在距離巷幫1.0 m處進行錨索鉆孔，鉆孔的深度為8.0 m，與頂板的夾角為75°，終孔位置在幫部的巖體內。對鉆孔依次注入錨固劑和恒阻錨索，錨索超出鉆孔0.25 m，在錨索外露的一端安裝螺紋鋼錨桿，使用張拉器進行拉緊，桁架的支護間距為1.5 m。頂板聯合支護斷面示意圖如圖3。

圖3 頂板聯合支護斷面示意圖（mm）

3.3 雙梁梯形棚支護

為降低傳統鋼棚對頂板的破壞影響，防止頂板出現破碎和下沉等現象，在巷道30～60 m處架設雙梁梯形棚，主要包括鋼棚腿、底座和雙梯形梁。其中，4根長為2.5 m的鋼棚腿，2根主梁長為4.8 m的雙梯形梁，主梁之間的距離為0.5 m，主梁與主梁之間采用10根10#槽鋼進行連接，間距為0.5 m。先將棚腿底座固定在底板上，用地錨進行固定，然后采用插入式連接方式，依次連接棚腿，搭接長度大于0.5 m，在棚腿的頂端焊接11#凹槽，將頂梁插入凹槽內并固定。如果頂梁不能直接與頂板接觸，通過調整棚腿的高度來調節頂梁與頂板的距離，使其密切接觸。

4 效果分析

在掘進期間對巷道聯合支護范圍內的巷道圍巖變形量進行觀測。采取聯合加強支護方式后，巷道頂板的最大下沉量為0.13 m，掘進5 d后，巷道頂板的穩定性得以提高，巷道的掘進量減少1450 m3，掘進時間減少8 d。采用分層掘進施工方法，掘進效率明顯提升，且巷道頂幫的煤體強度得到提高，支護效果較好，頂板完整性較好。

5 結論

針對馬脊梁礦8125工作面巷道成型質量差、巷道支護難度大、矸石運輸效率低等問題，采用分層掘進施工工藝方法，并對開口段進行聯合加強支護，結果如下：

（1）采用分層掘進施工方法，在確保巷道施工安全的同時，減少了設備的安裝次數，加快了巷道的掘進效率，節約支護成本約17萬元。

（2）采取聯合加強支護方式后，在掘進過程中，巷道頂板的最大下沉量為0.13 m，在掘進5 d后，巷道頂板的穩定性得以提高，支護效果較好，頂板完整性較好。