上覆村莊巷道掘進及支護技術應用研究

武傳偉

（兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272000）

0 引言

我國煤炭資源分布廣泛，村莊建筑物下方壓煤的情況也較為普遍，據相關數據統計，全國村莊壓煤量高達52.21億t[1-2]。從地域上看，中、東部地區由于人口密度較大，村莊壓煤現象最為嚴重。煤炭的開采可誘發地表沉降，對村莊建筑物、道路、農田等設施造成破壞，影響村莊的生態環境和人民的生活質量[3-4]。合理有效的設計巷道掘進及支護方法，可改善地表沉降問題，保護村莊建筑物的安全[5]。因此，研究上覆村莊巷道掘進及支護技術具有極為重要的工程價值。

1 工程概況

濟寧三號煤礦礦井內二采區23上03工作面位于采區西北部，為二采區3上煤層的首采工作面該工作面西側有FB22斷層。23上03輔助巷道主要服務于本工作面開采期間的運輸、通風、行人等，輔助巷道地表為李二莊，李二莊人口、建筑物密集。基于以上原因，本文針對23上03輔助巷道掘進及施工技術進行研究，以期避免23上03輔助巷道掘進施工引起較大地面沉降，保護上覆村莊建筑物及生態環境，此外，還對掘進期間的沖擊地壓監測和防治技術進行了設計。

2 掘進技術及工藝

2.1 巷道斷面設計

巷道斷面形狀及尺寸是影響地表沉降量的重要參數，若斷面尺寸過大，則地表沉降量也隨之增大，影響地表建筑物的安全。若斷面尺寸過小，則不能滿足巷道所擔負的運輸、通風、供水、供電等任務，因此，需根據實際地質情況對巷道的斷面形狀和尺寸進行合理的設計，在保證巷道服務能力的同時，盡可能的減小巷道開挖所引起的沉降。基于以上原則，本文設計的23上03輔助巷道的斷面參數設計見表1。

表1 巷道斷面參數表

2.2 巷道掘進截割工藝

鑒于23上03輔助巷道頂底板巖性較好，且斷面尺寸設計不大，為提高掘進速度，設計采用綜合掘進機截割“一次成巷，分次截割”的掘進工藝。巷道掘進的施工順序為：首先開挖23上03第一切眼導硐，待導硐施作完成后，掘進機向右側旋轉90°，進行輔助巷道的開門施工。開門施工17 m左右時，拆除刮板輸送機，形成“綜掘機+皮帶出煤機”的掘進系統，掘進期間巷道的設備布置如圖1（a）所示。掘進機截割方式如圖1（b）所示，巷道斷面分兩次截割，首先在截割前標定出巷道輪廓線，并對上個截割循環的尺寸和平整度進行檢查。確認無誤后，開始截割本循環，掘進機進刀位置位于巷道左下部，沿著標定的截割線按逆時針方向先截割出巷道左側斷面。其后，采用同樣的方式由下至上、由左至右截割出巷道右側斷面。需要注意的是，截割過程中需盡量保證巷道斷面的平整度，避免出現過割的現象。本文設計的在23上03輔助巷道采用“一次成巷，分次截割”的掘進工藝，一方面保證了巷道的掘進效率，另一方面又可控制巷道圍巖變形量及地面沉降量，保證了作業安全，具有較好的經濟效益。

圖1 掘進工作面截割順序及設備布置

3 支護參數設計及效果評價

3.1 臨時支護設計

迎頭截割完成后，需對23上03輔助巷道頂板及兩幫進行臨時支護，為保證臨時支護效果，控制圍巖初期位移，為作業人員提供安全的工作空間，設計采用ZLJ-10型機載式前探梁進行臨時支護。機載式前探梁共包含支護結構、伸縮架、回轉架和護頂梁四部分。臨時支護的工序流程如圖2所示，當掘進機截割完成后，將其退回至合適位置，使用專用測量工具檢查掘進頭有無傘檐現象，同時進行敲幫問頂，對較為松散的危巖進行處理。其后，進行第一片菱形網的綁扎和聯網，聯網結束后升起機載式前探梁，升起過程中，需一人操作，一人監護，確保頂梁居于巷道中部。頂板臨時支護操作完成后，采用同樣的方法對巷道進行敲幫問頂，去除危巖，在幫部安裝第二片菱形網，并采用幫部插桿將幫部菱形網與頂部菱形網聯結。

圖2 臨時支護流程圖

3.2 永久支護設計

如上文所述，由于23上03輔助巷道位于村莊下方，為控制該段巷道的圍巖位移量，保證村莊的地面沉降量在可控范圍內。設計在23上03輔助巷道采用錨網（索）帶聯合支護的永久支護方式，支護示意圖如圖3所示。具體支護參數如下：

圖3 23上03輔助巷道永久支護示意圖

頂板采用φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，設計錨固力不小于160 kN，預緊力矩不小于300 N·m，間排拒800 mm×900 mm。頂板錨索采用φ22 mm×4 500 mm的礦用錨索，錨索錨固力不小于240 kN，布置在2排鋼帶的中部。兩幫采用φ20 mm×1 250 mm的全螺紋鋼錨桿，設計錨固力不小于130 kN，預緊力矩不小于260 N·m，間排拒1 200 mm×900 mm。錨桿、錨索托盤均采用碟形高強度托盤，每根錨桿（索）采用2卷CKb2370型樹脂錨固劑進行錨固。頂部采用孔間距為800 mm的T型鋼帶，鋼帶長度4 870 mm，金屬網采用菱形規格，由8號鍍鋅鐵絲編制而成。

3.3 掘進及支護效果評價

為評價23上03輔助巷道的掘進和支護效果，掌握地表移動變形規律，在巷道上方地表每隔80 m設置1個地表位移觀測站，共設置3個觀測站，對地表變形量進行采集記錄。觀測方法為工作面推進10 m后便開始日常測量，確定地表變形程度，若發現地表變形速度較快，應增加觀測次數。觀測結果如圖4所示。

圖4 地表位移沉降結果

由圖4可知，隨著掘進工作面的推進地表沉降量逐漸增加，當工作面推進100 m后，地表沉降量逐漸趨于穩定。觀測站1的最大沉降量約為26 mm，觀測站2的最大沉降量約為27.5 mm，觀測站3的最大沉降量約為28 mm。3個觀測站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范圍內。可見，在23上03輔助巷道采用的“一次成巷，分次截割”及“機載式前探梁臨時支護結合錨網（索）帶永久支護”的掘進和支護工藝，可有效控制圍巖及地表位移量，減小井下開采對地表的影響，保護地表村莊建筑物及生態環境不受開采破壞。

4 沖擊地壓防治

4.1 沖擊地壓監測方案

23上03輔助巷道掘進期間，所受地應力較大，因此，本文設計采用區域性微震監測與局部監測相結合的方法進行沖擊地壓危險性的監測和分析。微震監測系統主要對震動事件進行監測,監測范圍為巷道迎頭半徑200 m內，當監測到有能量達到或接近10 000 J的震動時間時，說明工作面具有沖擊危險。微震監測系統，共布置4個拾震器，拾震器分布情況如表2所示：

表2 23上03輔助巷道拾震器分布情況表

局部監測方法包括鉆屑法監測和應力在線監測，鉆屑法監測是通過計量鉆孔每鉆進1 m所產生的鉆屑量，來分析發生沖擊地壓的危險性。鉆屑法監測采用MQTB～70/1.7風動支腿式幫錨桿鉆機施工，配合φ38 mm×1 500 mm組合鉆桿，鉆孔φ42 mm，鉆孔深度為10 m。弱沖擊危險區域每掘進20～30 m監測1次，無沖擊危險區每掘進30～50 m監測1次。當掘進期間煤爆異常、礦壓顯現明顯時,應縮小檢測距離，加大檢測頻次。鉆屑法測孔布置在巷道迎頭及兩幫，一次施工3個鉆屑孔，迎頭及兩幫各布置1個鉆屑孔，孔間距≤20 m。迎頭鉆孔布置在中部，鉆屑孔距底板0.5～1.5 m，垂直煤壁施工(避免鉆入巖石)。鉆屑孔施工期間見巖石時即可停止鉆進，但必須在臨近該檢測孔周圍0.5 m范圍內施工驗證孔進行進一步確認，驗證后在鉆孔附近吊掛驗證孔牌板，并注明驗證孔深度。

采用應力在線監測系統對沖擊危險區域迎頭后200 m范圍內煤體應力變化情況進行監測。應力監測鉆孔應力計布置在23上03輔助巷道東幫，1組2個，間距1～1.5 m，深度分別為6 m（北）、10 m（南），距煤層底板0.5～1.5 m，施工鉆孔時如遇巖石則停止鉆進，鉆孔深度～6 m時安裝應力計。每組應力計間隔不大于25 m，滯后迎頭距離≤25 m。應力在線監測系統鉆孔采用MQTB-70/1.7風動支腿式幫錨桿鉆機施工，配合φ42 mm鉆頭、φ38 mm×1 500 mm組合鉆桿施工。鉆孔應力計的壓力枕由包裹體焊接而成的，壓力枕必須平行于底板，安裝應力計必須使用專用安裝桿，采顯一體儀安裝與電纜接通工作應由防沖專業人員完成，注油壓力≥5 MPa。監測系統電纜敷設在人行側幫部，每次挪移探頭時，應力在線分站固定在卸料臺內側隨機尾前移，應力在線監測系統預警指標見表3。

表3 23上03輔助巷道應力在線預警臨界值指標表

當應力在線監測系統的顏色指示全為綠色時，說明所有測點應力大小均小于預警值，無沖擊地壓危險；當有一組黃色監測警示時，需結合應力增幅進行判斷，若應力增幅3天內無明顯增加，且鉆屑法檢測正常，可判定無沖擊危險。當有一組黃色監測警示，且應力增幅明顯，則具有沖擊地壓危險。同時，出現兩組黃色監測警示或一組紅色警示也說明具有沖擊地壓危險，需立即停產，撤離工作人員，直至沖擊危險消除，方可恢復生產

4.2 防治措施

根據23上03輔助巷道的實際地質情況，設計采用大直徑鉆孔卸壓和底煤卸壓2種方法來預防沖擊地壓危害。

1）大直徑鉆孔卸壓方法。可在不受沖擊威脅的區域施鉆卸壓孔，頂部卸壓鉆孔直徑110 mm，距巷道底板約1.0～1.5 m，孔深15 m，巷道每掘進7 m，進行下一輪鉆孔。幫部卸壓鉆孔間距6 m，孔徑110 mm，鉆孔距巷道底板約1.0～1.5 m，孔深不小于8 m（如鉆孔施工至斷層巖石,則停止施工）。

2）底煤卸壓。底煤卸壓方法主要包括：①根據地質預報及時調整掘進層位，盡量沿頂板掘進，不留底煤；②根據巷道剖面圖，在斷層附近或穿層區域對底煤區域進行探煤厚工作，確定煤厚超過1 m的留底煤區域，探煤厚鉆孔間距3 m，雙排布置，鉆孔施工在巷道人行側底板距幫1～1.5 m處，垂直向下，每個探煤孔探煤厚度必須由專人記錄；③根據探煤厚結果，當留底煤厚度大于1 m時，必須進行底煤卸壓爆破處理，爆破鉆孔施工位置在兩幫底角處，斜向下30°鉆孔，孔間距為3 m，鉆孔施工至巖石即停止，鉆孔滯后迎頭不超過50 m。

卸壓措施施工后，應當采用以鉆屑法檢測為主，并配合微震監測、應力在線監測等方法進行綜合對比來檢驗卸壓效果，經效果檢驗，綜合判定無沖擊危險時，掘進工作面可繼續作業。

5 結論

1）基于23上03輔助巷道上覆村莊的工程背景，對輔助巷道斷面形狀及尺寸進行設計，并提出采用“一次成巷，分次截割”的掘進工藝，既提高了巷道的掘進效率，又可控制巷道圍巖變形量及地面沉降量。

2）提出在23上03輔助巷道采用“ZLJ-10型機載式前探梁臨時支護結合錨網（索）帶永久支護”的支護方案，并闡述了臨時支護工藝流程和永久支護參數；在地表共設置3個觀測站，來評價輔助巷道的掘進和支護效果，并掌握地表移動變形規律，觀測結果表明，巷道掘進期間3個觀測站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范圍內。

3）設計采用區域性微震監測與局部監測相結合的方法，進行23上03輔助巷道沖擊礦壓危險性的監測和分析，給出了對監測方案和監測參數，并提出采用大直徑鉆孔卸壓和底煤卸壓2種方法來預防沖擊地壓危害。