漸進式掘進技術在托頂煤石門揭煤中的研究與應用

胡沖

（冀中能源峰峰集團 大淑村礦，河北 邯鄲 056300）

1 概況

大淑村礦井井田位于峰峰煤田東北部，地處河北省武安市、磁縣和邯鄲市峰峰礦區接壤地帶。北部與南部分別以F1 和F14 正斷層構成井田的自然邊界，西南與大社礦相鄰，東南與新屯礦相鄰，東西分別以人為邊界為界，標高+250.6—-800 m，面積9.75 km2。172402 工作面位于-450 m 水平以上,四采區淺部，西北為172401 采空區，南東以F14斷層為界，西為設計172401 里工作面，東北為設計172403 工作面。該工作面下伏174402 工作面。172402 運料石門，巷道開口層位位于4 號煤層，+16°起坡揭煤，從距2 號煤層底板2 m 到摸2 號煤層頂板期間，托頂煤長度在30 m 左右，巷道要貼近煤層施工很長一段時間。

2 號煤層屬于中厚煤層，厚度在6 m 左右，煤層堅固系數0.5 左右，瓦斯吸附性強，屬于高瓦斯突出煤層。回采巷道均采用摸頂掘進，石門開口層位位于2 號煤層底板下部時，石門揭煤時，要從巷道頂板揭露煤層底板，穿過6 m 厚煤層掘到煤層頂板，形成一個托頂煤掘進段，長度在20～30 m，這個施工段，對巷道施工、支護帶來較大困難。采用單一U 鋼被動支護，頂板易發生漏冒并引發瓦斯事故；采用錨網支護，由于上覆煤體松散、本身堅固系數小、自身抗承壓強度低，直接打設錨桿，會由于錨桿錨固強度不夠，造成巷道快速變形，嚴重時發生漏冒事故。針對這一難題，該礦采用“漸進式”掘進技術進行揭煤。

2 “漸進式”掘進施工技術方案

2.1 超前加固注漿

注漿材料為HWJ 超細水泥漿，從巷道頂板距2 號煤底板3 m 至摸2 號煤正常頂板期間，設計注漿孔間排距1.0 m×2 m，每排布置注漿孔5 個，孔深6 m，孔徑42 mm，封孔段長1.2 m。注漿管長2.5～3.5 m，直徑12.7 mm。注漿孔開孔位置布置在巷道頂部輪廓線內側0.3 m 處。設計注漿終壓4～6 MPa，漿液有效擴散半徑2.0 m。

2.2 密打超前穿頂錨桿

每掘進1.6 m，在巷道頂板輪廓線處打設1 排超前錨桿控制頂板，錨桿間距150～200 mm，沿巷道掘進方向打設，且與巷道掘進坡度呈15°夾角上仰，使超前錨桿形成類似于懸臂梁結構，牢牢拖住頂部煤層，使頂板形成安全屏障。超前錨桿采用直徑20 mm，長度2.4 m 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿在端頭注1 支Z2345 型樹脂藥卷。超前錨桿支護如圖1 所示。

圖1 超前錨桿支護示意Fig.1 Schematic diagram of advance bolt support

2.3 小循環漸進式掘進

在超長注漿和密打管縫錨桿2 層安全屏障下，進行長加固、短掘進，小循環漸進式揭煤。超前注漿6 m，管縫錨桿2.4 m，但每一小循環只允許掘進0.8 m，如此循環依次掘進。

2.4 錨桿、錨索+槽鋼耦合支護

（1） 錨桿參數。全斷面打設錨桿，使用長2.4 m、直徑20 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼，螺母扭矩不小于140 N·m，抗拉拔力100 kN，錨桿露出螺母長度10～50 mm，錨桿間排距700 mm×800 mm。

（2） 錨索參數。采用規格5～11 m 的錨索，保證錨索能夠穿過煤層，錨入煤層上方堅硬頂板中，使巷道形成主動支撐。當172402 運料石門頂板距2 號煤底板＞8 m 時，錨索為直徑21.6 mm、長度7.5 m 的鋼絞線；當172402 運料石門頂板距2號煤底板5～8 m 時，錨索為直徑21.6 mm、長度5 m 的鋼絞線；172402 運料石門頂板距2 號煤底板3～5 m 時，錨索為直徑21.6 mm、長度11 m 的鋼絞線。當172402 運料石門頂板距2 號煤底板＜3 m時，錨索為直徑21.6 mm、長度10 mm 的鋼絞線。

錨索間距1.4 m×1.6 m（距煤層底板小于3 m時，排距改為0.8 m），每排打設5 根，中間3 根布置在槽鋼上，在距槽鋼端頭錨索1.4 m 處各打設1條錨索。每根錨索注1 支CK2345 型樹脂藥卷和2支Z2345 型樹脂藥卷，超快藥卷布置在端頭，其次為中速藥卷。錨索預緊力不小于150 kN，錨固力不小于200 kN。錨索托盤為鋼托盤，布置在槽鋼上的錨索托盤規格為長×寬×厚=120 mm×120 mm×16 mm，單獨打設錨索托盤規格為長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm，錨索外露長度150～250 mm。

（3） 槽鋼參數。槽鋼材質為16 號熱軋普通槽鋼，每條槽鋼長4.0 m，槽鋼上布置3 條錨索，均勻布置在槽鋼中線及兩側，錨索間距1.4 m，排距1.6 m。當巷道頂板距大煤底板小于3 m 時，槽鋼排距縮至0.8 m。

巷道支護斷面如圖2 所示，錨索遞進式打設布局如圖3 所示。

圖2 巷道支護斷面示意Fig.2 Schematic diagram of roadway support section

圖3 錨索遞進式打設示意Fig.3 Schematic diagram of anchor cable progressive setting

3 圍巖變形監測

3.1 錨桿、錨索受力情況

初始打設時，錨桿、錨索均達到設計錨固力要求，在172402 運料石門施工完成后3 個月內，僅有1 根錨索失效，符合設計要求。

3.2 頂底板及兩幫移近量監測

在巷道內每間隔5 m 建立1 個測站，共建5 個測站。3 個月內巷道圍巖變形監測情況見表1。

表1 巷道圍巖變形監測情況Table 1 Deformation monitoring of roadway surrounding rock

從測試的數據可知，巷道位移最大變形量為30 mm，變形量在設計允許范圍內，且巷道頂幫無開裂，巷道支護效果良好。

4 效益分析

（1） 經濟效益。采用傳統的密排U 鋼支護，每米成本在7000 元左右，費用為21 萬元。采用漸進式掘進技術，使用超細水泥和超前錨桿，加上錨網支護費用，每米在4500 元左右，按石門揭煤長度30 m，費用在13.5 萬元，可節省材料費用7.5萬元。

（2） 社會效益。巷道為+16°起坡進行揭煤，采用傳統的U36 鋼支護，大坡度掘進時，架設U鋼非常困難，容易砸傷、磕傷作業人員；使用漸進式掘進支護方式支護頂板，采用錨網索主動支護，工藝簡單、可靠，可快速、安全實現石門揭煤。

5 結 論

（1） 使用漸進式掘進技術，水泥漿液充填煤體裂隙，水泥漿與煤體粘合成一個整體，形成強度較高的承壓曾，增強了其抗彎、抗剪、抗沖能力。

（2） 漸進式掘進技術，長短錨遞進式布置，錨索均錨入巖層堅硬頂板不小于1.5 m，將托煤段牢固的吊到穩定巖層上。

（3） 漸進式掘進技術，長加固，短掘進，保證每個小循環均在安全的掩護下掘進，杜絕了托煤期間頂板煤體漏冒現象的發生。

（4） 該技術施工工藝比傳統的U 鋼支護，施工進度快，且為主動支護，施工效果良好，在該礦幾處揭煤中均成功應用，值得推廣。