增子坊礦5102 工作面733 m 處補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

王志飛

（朔州煤電鐵峰增子坊礦，山西 朔州 038300）

煤礦生產(chǎn)施工中不可避免地經(jīng)常發(fā)生頂板事故，后果慘痛[1-3]。為此很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，康紅普[1]等綜合研究了采空區(qū)巷道的應(yīng)力環(huán)境及施工存在的難點(diǎn)，通過(guò)陜西何家塔煤礦和山西野川煤礦2個(gè)應(yīng)用實(shí)例的圍巖變形控制現(xiàn)狀，從機(jī)理、方案、支護(hù)等方面提出了無(wú)煤柱條件下開(kāi)采方法的改進(jìn)意見(jiàn)及圍巖控制技術(shù)的發(fā)展方向。周依朋[2]針對(duì)高河能源W2307 工作面受上覆基本頂巖層運(yùn)移的影響，研究了進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)、回采、復(fù)用等階段圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了五種不同間排距巷內(nèi)支護(hù)方案，有效控制了圍巖變形。王凱[3]等提出了軟弱厚煤層沿煤層頂板布置變形協(xié)同支護(hù)體系，提高了幫部、頂?shù)装寮跋锱灾ёo(hù)體的協(xié)同承載能力，有效地保證了軟弱厚煤層的圍巖穩(wěn)定。邸旭峰[4]等提出了馬堡煤礦15201 大采高迎采巷道“頂幫協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)”技術(shù)，針對(duì)頂板支護(hù)，使用Φ21.8 mm 的高強(qiáng)度錨索，同時(shí)增大支護(hù)密度，有效提升了頂板支護(hù)強(qiáng)度，煤柱幫通過(guò)使用Φ15.24 mm 的錨索，加強(qiáng)煤柱幫側(cè)向支護(hù)阻力作用，強(qiáng)化了煤柱的承載作用，巷道圍巖穩(wěn)定性得到明顯改善。

可見(jiàn)，在采掘過(guò)程中遇到斷層、破碎、地應(yīng)力異常、淋水、風(fēng)氧化帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，由于地應(yīng)力紊亂，礦壓變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致原本支護(hù)措施受破壞或者失效，很容易釀成事故，因此合理有效地加強(qiáng)支護(hù)非常必要[5-7]。

1 工程概況

朔州煤電鐵峰增子坊礦5102 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面，地層呈一不對(duì)稱背斜構(gòu)造，中西部高，東、西低，地層傾角0～3°，平均2°左右。5#煤層呈黑色，半暗煤為主，弱瀝青光色，斷口參差狀，裂隙發(fā)育，輕微氧化，夾矸均為砂質(zhì)泥巖，較松散。煤層總厚10.80～14.00 m（含夾石），平均約12.50 m。含有2 到3 層夾石，夾石單層最大厚度達(dá)0.60 m，無(wú)偽頂。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

工作面掘進(jìn)過(guò)程中，前方煤層出現(xiàn)風(fēng)氧化情況以及隱伏地質(zhì)構(gòu)造，揭露落差3.0 m 正斷層。工作面掘進(jìn)至733 m 處，上覆存在厚層狀砂巖層，遇節(jié)理裂隙發(fā)育地段，出現(xiàn)淋水或滲水現(xiàn)象，特別是鄰近大斷層附近，出現(xiàn)局部涌水量增大現(xiàn)象。受正斷層影響，巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇到伴生構(gòu)造影響，煤巖層傾角增大、局部下沉、支護(hù)失效等情況顯現(xiàn)，并伴隨離層、變形、破碎甚至局部冒頂現(xiàn)象。故需要制定過(guò)構(gòu)造措施，加強(qiáng)頂板管理。

2 原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

5#層51 盤(pán)區(qū)5102 回風(fēng)順槽巷道掘進(jìn)規(guī)格設(shè)計(jì)：寬5.0 m，高3.3 m，斷面積為16.5 m2，長(zhǎng)度為1142 m。支護(hù)設(shè)計(jì)為：錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2.1 原巷道支護(hù)

5102 工作面733 m 處原支護(hù)設(shè)計(jì)為錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂錨桿和幫錨桿均選用Ф20 mm×2200 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，鋼 號(hào)MG-335， 托 板 選 用110 mm×110 mm×10 mm 的拱型預(yù)應(yīng)力蝶形鐵托板。頂錨桿間排距為900 mm×1000 mm，布置6 排，頂鋼帶為W 型鋼帶4800 mm×250 mm×3 mm；幫錨桿間排距為900 mm×1200 mm，最上排距頂板500 mm，最下排距底板1000 mm，布置3 排，幫鋼帶為W 型鋼帶450 mm×250 mm×3 mm。頂錨索選用Ф17.8 mm×8000 mm 的1860 級(jí)低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1860 MPa，破斷力355 kN，托板選用250 mm×250 mm×16 mm 的拱型預(yù)應(yīng)力鐵托板，間排距由原來(lái)的1600 mm×2000 mm 變?yōu)?600 mm×1000 mm。

嚴(yán)格按照中線和間排距布置錨索，錨索間排距允許偏差為±100 mm。鋼絞線與頂板巖層面夾角≥87°，允許達(dá)到設(shè)計(jì)值的±5°。錨索外露長(zhǎng)度必須控制在150～250 mm，錨固長(zhǎng)度1550 m，錨索線預(yù)緊力不小于180 kN，錨固力>285 kN。錨桿抗拉拔力、錨索預(yù)應(yīng)力不得小于設(shè)計(jì)值的90%。

金屬網(wǎng)均為8#鉛絲，頂網(wǎng)規(guī)格3000 mm×3000 mm，幫金屬網(wǎng)規(guī)格為3000 mm×2500 mm，網(wǎng)眼為50 mm×50 mm 的菱形。在掘進(jìn)過(guò)程中每間隔100 m 金屬網(wǎng)斷開(kāi)800 mm，用塑料網(wǎng)搭接。

巷道全斷面進(jìn)行噴漿，標(biāo)號(hào)C25，噴漿厚度100 mm；巷道左幫（非工作面?zhèn)龋┘跋锏理敚▽挾?000 mm）保障安全進(jìn)行噴漿，厚度100 mm。

2.2 永久支護(hù)

永久支護(hù)距工作面最大和最小空頂距分別1800 mm 和800 mm，循環(huán)進(jìn)度1000 mm。永久支護(hù)完后剛好為一個(gè)錨桿支護(hù)間距，則縮小錨桿支護(hù)間距為300～500 mm，補(bǔ)支一排永久支護(hù)。頂支護(hù)后的永久支護(hù)距工作面最大距離為不大于一個(gè)永久支護(hù)間距，嚴(yán)禁超空頂作業(yè)。護(hù)幫錨桿永久支護(hù)距工作面滯后距離不大于5000 mm，片幫嚴(yán)重時(shí)支護(hù)緊跟工作面。

2.3 錨固劑

頂錨桿使用MS02335 和MSK2360 樹(shù)脂各1 根，幫錨桿使用MSK2360 樹(shù)脂錨固劑1 根，頂幫錨桿錨固長(zhǎng)度分別為950 mm 和600 mm。錨桿錨固力105 kN，預(yù)緊力55 kN。使用扭矩力≥200 N·m 的力矩扳手緊固錨桿螺母。錨索使用3 根樹(shù)脂錨固劑（MSK2360 型2 根、MSZ2335 型1 根），錨固長(zhǎng)度1550 mm。錨索線預(yù)緊力≥180 kN，錨固力＞285 kN。錨桿抗拉拔力、錨索預(yù)應(yīng)力不小于設(shè)計(jì)值的90%。

鉆孔鉆好后，向孔內(nèi)依次裝入兩卷MSK2360型快速錨固劑和一卷MSZ2335 型超快錨固劑，用鋼絞線慢慢將樹(shù)脂錨固劑卷推至底部，用專用攪拌器在錨索下端位置與錨桿鉆機(jī)相連。隨著推進(jìn)的同時(shí)攪拌藥卷，前半程用慢速旋轉(zhuǎn)，后半程用快速旋轉(zhuǎn)，快速為41～90 s，中速為91～180 s。攬拌停止后，保持鉆機(jī)推力1～3 min 后方可收縮錨桿鉆機(jī)，卸下錨索鉆機(jī)。5 min 后待藥卷凝固，在錨索末端先套入鋼板，然后是專用鎖具，使用張拉千斤頂進(jìn)行張拉。安裝托板與鎖具，用錨索張拉力機(jī)具張拉緊鋼絞線，達(dá)到錨固力>285 kN。鉆機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)才可以進(jìn)行接、卸鉆桿。進(jìn)行張拉預(yù)緊鋼絞線操作時(shí)，必須使千斤頂與鋼絞線保持在同一軸線上。

3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3.1 臨時(shí)支護(hù)

插鋼針+架設(shè)U29 鋼棚段，插入鋼針能有效臨時(shí)控制頂板，以此作為臨時(shí)支護(hù)；其他地段采用機(jī)載式前探梁作為臨時(shí)支護(hù)；掘進(jìn)頭面，配備4～6 根單體液壓支柱和便攜式液箱。

臨時(shí)支護(hù)使用機(jī)載前探梁支護(hù)，支護(hù)范圍為長(zhǎng)×寬=2050 mm×2754 mm，然后進(jìn)行頂板支護(hù)，做到工作面無(wú)空頂。支護(hù)不夠高時(shí)，先落下支護(hù)架再抬高機(jī)頭，然后再升高支護(hù)架。遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，需加強(qiáng)巷道臨時(shí)支護(hù)管理。

掘進(jìn)機(jī)落煤、出煤，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺1000 mm。永久支護(hù)最小空頂距800 mm，最大空頂距1800 mm。兩幫護(hù)幫支護(hù)最大允許滯后距離為5000 mm（時(shí)間不超過(guò)24 h）。錨索距工作面的迎頭距離不得大于1 個(gè)錨索支護(hù)間距，即1800 mm。

頂部永久支護(hù)錨索距離工作面最大滯后3300 mm，幫部空錨距離最大滯后工作面5000 mm（時(shí)間不超過(guò)24 h），如遇煤質(zhì)松軟、片幫嚴(yán)重必須及時(shí)支護(hù)到工作面，并嚴(yán)格執(zhí)行短掘短支。臨時(shí)支護(hù)平面圖和剖面圖如圖1 和圖2。

圖1 臨時(shí)支護(hù)平面圖（mm）

圖2 臨時(shí)支護(hù)剖面圖

3.2 補(bǔ)強(qiáng)方案

遇斷層、頂板破碎、地應(yīng)力異常區(qū)、頂板淋水區(qū)，頂板疏松時(shí)，頂板軟泥巖或風(fēng)氧化，頂板承受力不好，錨桿不能有效作業(yè)，此時(shí)支護(hù)方式變?yōu)殄^固劑+錨桿+鋼帶+錨索+U29 鋼棚聯(lián)合支護(hù)。頂錨桿采用Ф20 mm×2200 mm 的錨桿，材質(zhì)為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，鋼號(hào)MG-335，為6 根布置，間距1000 mm。W 型單眼鋼帶規(guī)格為450 mm×250 mm×3 mm，錨桿拱形墊片規(guī)格為110 mm×110 mm×10 mm。

其次采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶變更為施工Ф30 mm×3000 mm 鋼針（無(wú)縫鋼管），間距400 mm，兩端分別搭接在棚梁上和頂板煤巖層中，每米打一排鋼針，共16 根，以此為循環(huán)單位。

然后架設(shè)U29 拱形支架鋼棚，規(guī)格為寬×高=5000 mm×3000 mm 及4000 mm×3000 mm（回風(fēng)繞道），間距1000 mm，壓力凸顯明顯時(shí)縮短間距為300～500 mm。架棚永久支護(hù)每次掘進(jìn)前距工作面最大空頂距1800 mm，最小空頂距800 mm，拉桿為Ф16 mm 圓鋼，每架棚不少于6 根。棚梁與棚腿搭接處采用2 副卡纜+螺母緊固，緊固力矩200 N·m。工作面支護(hù)斷面圖如圖3，圖4 和圖5 分別為對(duì)應(yīng)的俯視圖和剖面圖。

圖3 5102 工作面支護(hù)斷面圖（mm）

圖4 5102 工作面支護(hù)平面圖（mm）

圖5 5102 工作面支護(hù)剖面圖（mm）

3.3 錨桿施工工藝

1）打眼前。打錨桿孔作業(yè)時(shí)要注意個(gè)人防護(hù)和著裝安全，比如禁止戴手套，衣扣需扣好，袖口要扎好；對(duì)鉆具、鉆桿、鉆頭及連接件等打孔器具進(jìn)行檢查，不得使用不合格者；檢查瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%時(shí)不得作業(yè)。

2）打眼時(shí)。無(wú)關(guān)人員不得靠近10 m 范圍內(nèi)；嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)定作出標(biāo)記，定好眼位；采用短桿打眼、長(zhǎng)桿套眼，隨時(shí)掌握好角度、深度；鉆桿要直，鉆具要穩(wěn)牢，連接從鉆具到鉆頭的所有部位要牢固；攪拌錨固劑時(shí)切勿用力過(guò)猛，要用力均勻，如有卡鉆或聲音異常時(shí)，要及時(shí)停鉆并檢查，處理無(wú)礙后重新啟動(dòng)。

3）安全技術(shù)。移動(dòng)/放下鉆架時(shí)必須扶好，防止跌倒，防止斷桿、脫桿或鋼絞線脫開(kāi)，以免傷人，注意頂板狀況，防止零皮傷人；安裝托板時(shí)要整齊，托板平的一面嚴(yán)密地貼頂貼幫，錨桿外露合規(guī)；如遇裂隙或節(jié)理時(shí)，與主要處垂直布置托板；及時(shí)更換損壞托板，有不合格或損壞的錨桿要及時(shí)補(bǔ)打一眼；有技術(shù)部、地質(zhì)部提供的地質(zhì)預(yù)報(bào)、鄰近小窯破壞情況，在過(guò)地質(zhì)構(gòu)造、斷層、小窯破壞區(qū)之前執(zhí)行“先探后掘，長(zhǎng)探短掘”的原則；過(guò)斷層時(shí)，必須先停止掘進(jìn)，通知地質(zhì)組，探明斷層特征，確定掘進(jìn)方案，制定專項(xiàng)措施后，方可繼續(xù)掘進(jìn)。

3.4 錨索施工工藝

施工前必須對(duì)施工點(diǎn)進(jìn)行“四位一體”及“敲幫問(wèn)頂”的安全檢查，徹底處理零皮、活石、片幫、馬棚，確認(rèn)安全后方可施工；確定錨索眼位置，用風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)鉆孔，8 m 錨索鉆孔深為7750 mm，之后清孔；向孔內(nèi)依次裝入兩卷MSK2360 型快速錨固劑和一卷MSZ2335 型超快錨固劑，用鋼絞線慢慢將樹(shù)脂錨固劑卷送到孔底部；用專用攪拌器連接錨索下端和錨桿鉆機(jī)，攪拌錨固劑時(shí)要由慢到快，錨索插入鉆孔規(guī)定長(zhǎng)度后，全速旋轉(zhuǎn)攪拌，結(jié)束后等待2～8 min，收縮鉆機(jī)，卸下攪拌器。安裝托板與鎖具，用張拉力機(jī)具張拉緊鋼絞線，達(dá)到錨固力>285 kN；必須在鉆機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)卸鉆桿；鋼絞線要插入攪拌器底，攪拌器要深入鉆機(jī)底部，注藥卷時(shí)要有專人護(hù)住鋼絞線，防止因甩脫鋼絞線傷人；預(yù)緊鋼絞線張拉時(shí)，必須與千斤頂保持同一軸線。

安裝時(shí)嚴(yán)格按照中線和間排距布置錨索，錨索間排距允許偏差為±100 mm；鋼絞線與頂板巖層面夾角不小于87°，錨索外露長(zhǎng)度必須控制在150～250 mm；鋼絞線與項(xiàng)板巖層面夾角允許達(dá)到設(shè)計(jì)值的±50°；錨固長(zhǎng)度1550 m，錨索線預(yù)緊力不小于180 kN，錨固力>285 kN；錨桿抗拉拔力、錨索預(yù)應(yīng)力不得小于設(shè)計(jì)值的90%；鉆孔鉆好后，將樹(shù)脂錨固劑用鋼絞線一塊頂入鉆孔頂部，再用專用連接套將氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)和鋼絞線連接好；藥卷攪拌時(shí)，邊推進(jìn)邊攪拌，前半程用慢速旋轉(zhuǎn)，后半程用快速旋轉(zhuǎn)攪拌錨固劑（快速為41～90 s，中速為91～180 s）；攬拌停止后，保持鉆機(jī)推力1～3 min后方可撤下錨索鉆機(jī)；凝固50 min 后在錨索末端先后套入鋼板及專用鎖具，套上張拉千斤進(jìn)行張拉。

3.5 架棚施工工藝

架棚前，必須照好中腰線，并且在工作面標(biāo)定中線位置；人工抬鋼梁時(shí)，必須互相配合，統(tǒng)一指揮，同拿同放，防止砸腳、碰手現(xiàn)象的發(fā)生；架鋼棚時(shí)，先掏好腿窩，將棚腿用拉桿與上一架棚腿固定好，搭好架子，架子必須支設(shè)牢固，然后將棚梁放在架子上；上梁時(shí)梁的每端不少于三人，二人抬梁、一人扶腿，將棚梁架在棚腿上；架好棚梁后，必須按中線調(diào)整合格，并將棚梁兩端與煤幫用木鍥或背板打緊背牢，再用背板將頂板接觸嚴(yán)實(shí)，然后用砼背板將兩幫密背；巷道有超寬超高的地段用砼背板打“井”字型木垛與頂幫充填嚴(yán)實(shí)，并打緊背牢；巷道局部地段壓力增大時(shí)，必須在該段鋼棚下補(bǔ)架鋼棚，不影響行人的地段先支設(shè)木點(diǎn)柱維護(hù)；修復(fù)或更換棚腿時(shí)，必須使用單體液壓支柱，將鋼梁抬起達(dá)到初撐力，修復(fù)或更換時(shí)，不少于4 根單體支柱進(jìn)行操作，由外向里逐架進(jìn)行；掘進(jìn)工作面嚴(yán)禁空頂作業(yè)；修復(fù)支架時(shí)必須先檢查頂、幫，并由外向里逐架進(jìn)行。

4 效果分析

加強(qiáng)支護(hù)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反饋，巷道優(yōu)化支護(hù)后頂板變形速度降低，頂板下沉量不超過(guò)113 mm，與底板的相對(duì)移近量減少了97 mm（18%）。圍巖單軸抗壓強(qiáng)度由原本19 MPa 變?yōu)?7 MPa，提高3倍，承載能力變強(qiáng)，失穩(wěn)、破碎等現(xiàn)象顯著減少。高剛度W 型鋼帶使用后極少發(fā)生彎曲變形，支護(hù)斷面更大，效果更好。新措施使巷道彎曲變形大大減少，錨索受力增大了2.7 kN（15%），錨桿失效率由13%降至6%以下，錨固效果和承壓強(qiáng)度提高，巷道掘進(jìn)速率提高至8.1 m/d，且安全性得到保障。

5 結(jié)論

晉能控股集團(tuán)增子坊煤礦5102 工作面掘進(jìn)至733 m 處接近斷層時(shí)，原本設(shè)計(jì)的支護(hù)措施失效，為確保施工安全，對(duì)工作面制定了錨固劑+錨桿+鋼帶+錨索+架棚聯(lián)合支護(hù)等針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。后期生產(chǎn)中有效地增加工作面圍巖的穩(wěn)定性，頂板變形、下沉以及與底板的相對(duì)移近量減少，錨索和錨桿支護(hù)作用增強(qiáng)，頂板事故明顯減少，保證礦井安全生產(chǎn)。