二分層采空區下掘進支護設計優化應用

田中春

（山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 滕州 277500）

1 概況

1.1 施工巷道概述

柴里煤礦23下607 東運輸巷工程量為755 m，該掘進工作面自2021 年5 月上旬開工，于2021 年10 月竣工，形成23下607 東綜放工作面生產系統，滿足于23下607 東綜放工作面的安裝、通風、行人、運輸、管線敷設的需要。該巷道呈一背斜形態，背斜軸位于巷道東部，軸向25°，西翼傾向NW，傾角8°～16°，平均12°，東翼傾向NE，傾角4°左右。巷道布置在3下煤層中，頂部煤矸厚度不均，具備開展四種支護方式的可行性。巷道施工至頂板上部煤矸厚度達到6 m 及以上時，采用錨網索梯支護；施工至頂板上部煤矸厚度達到4～6 m 時，采用錨網梯索梁和架棚錨網復合支護交替進行；施工至頂板上部煤矸厚度2.5～4 m 時，采用錨網架棚復合支護；施工至頂板上部煤矸厚度小于2.5 m 時，采用架棚支護。

1.2 井下位置及煤（巖）層賦存特征

23下607 東綜放工作面走向長573.70～598.56 m，傾向長110.70～149.21 m，呈一單斜構造形態，傾向NW，傾角8°～14°，平均10°。井下位于236 輔助采區的東南部，北為23606 東工作面采空區，南為未開采區，西為23607 工作面采空區，東為未開采區。本面開采二疊系山西組3下煤，煤層賦存穩定，屬1/3焦煤，色黑、性脆，似玻璃光澤。經一分層開采3上煤已基本回采完畢，中矸厚0.20～15.00 m，平均厚度5.16 m，為黑色泥巖，較厚部分中、下部衍變為砂質泥巖。3下煤厚1.10～4.50 m，平均厚度3.45 m。

23下607 東運輸巷位于二水平236 輔助采區，北為23606 東工作面采空區，南為23下607 東綜放工作面未開采區，西部為23607 工作面采空區，東為即將回采工作面。井下標高為-265.0～ -336.0 m。該巷道工作面經一分層開采，剩余3上煤厚0～5.91 m，平均厚度2.6 m；中矸厚0.80～14.80 m，平均厚度4.60 m；3下煤厚2.40～4.60 m，平均厚度3.90 m。

3上煤厚3～5.8 m，平均厚度4.1 m；上分層是綜放工作面，采全厚，3上煤開采時間2018 年2 月至8 月；3上煤和3下煤的層間厚度為中矸厚度，中矸厚0.5～14.8 m，平均厚度5.4 m；無人工假頂。

煤層綜合柱狀圖如圖1，頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

圖1 綜合柱狀圖

2 施工工藝優化

為了提高掘進工效，優化支護工藝，降低職工勞動強度，更好地為后期回采創造便利條件，根據23下607 東運輸巷頂板上部煤矸厚度情況，分別采取四種支護方式[1-5]。

2.1 錨網支護

施工至頂板上部煤矸厚度達到6 m 及以上時，采用錨網索梯支護，每排打設2 棵Φ17.8 mm×5000 mm 錨索，隔一排打設兩棵，不再使用錨梁加強支護。巷道支護長度為238 m。

2.2 錨網支護和架棚支護交替進行

施工至頂板上部煤矸厚度達到4～6 m 時，采用錨網梯索梁和架棚錨網復合支護交替進行，采用錨網梯索梁時，每排打設2 棵Φ17.8 mm×4000 mm錨索配合錨梁加強支護；每隔10 m 進行架棚錨網復合支護，復合支護架棚為一單一對棚支護，棚距850 mm；扶設三架棚后，再恢復錨網梯索梁支護。支護長度為105 m。

2.3 錨網架棚復合支護

施工至頂板上部煤矸厚度2.5～4 m 時，采用錨網架棚復合支護，支護長度為143 m。

2.4 架棚支護

施工至頂板上部煤矸厚度小于2.5 m 時，采用架棚支護，支護長度為269 m。

3 支護設計優化

3.1 巷道斷面

1）采用錨網索支護，巷道斷面為矩形，巷道掘進荒斷面規格為寬×高=4.2 m×3.0 m，S荒=12.6 m2；凈斷面規格為寬×高=4.0 m×2.8 m，S凈=11.2 m2。

2）采用12#工字鋼梯形棚支護作為永久支護，巷道支護規格為梁×腿＝3.8 m×3.0 m，掘進荒斷面：S荒=14.24 m2，掘進凈斷面：S凈=12.69 m2（錨網架棚復合支護方式和架棚支護方式均采用此斷面）。

3.2 支護材料

3.2.1 錨網支護材料及要求

1）錨桿。頂錨桿使用MSGLW-500/18×2400無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，幫錨桿使用MSGLW-500/18×2000 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿。使用150 mm×150 mm×8 mm（Q345B）球形托盤，配套注塑阻尼螺母（QT500-7）及墊圈。

2）格賓網。幫部使用10#鐵絲格賓網，規格為：長×寬=3000 mm×1000 mm，頂部鋼筋網與幫部格賓網搭接100 mm，幫網與幫網搭接100 mm，網扣扣扣相連。格賓網使用要求：格賓網必須繃緊，沿網長方向松弛度：200 mm 范圍內松弛度不超過10 mm。

3）鋼筋網。鋼筋網使用Φ6.5 mm 冷拔鋼絲焊接成網，網格為100 mm×100 mm，鋼筋網規格為長×寬=4200 mm×1000 mm。鋼筋網與鋼筋網之間搭茬半格（50 mm），頂部鋼筋網和幫部菱形網之間要搭茬一格。

4）鋼筋梯。頂部使用Φ12 mm 圓鋼焊接，鋼筋梯規格為：長×寬=4000 mm×80 mm；幫部不再使用鋼筋梯。

5）錨索。規格為Q1860-Φ17.8 mm×5000 mm和Q1860-Φ17.8 mm×4000 mm 兩種，錨索預緊力不小于100 kN（30 MPa）。錨索托盤：高強球形托盤，Q345B ，規格為300 mm×300 mm×12 mm。

6）錨固劑。錨固劑均使用樹脂錨固劑，頂錨桿使用1 塊MSK2570 樹脂錨固劑，幫部錨桿使用1 塊K2570 樹脂錨固劑，頂部錨索使用2 塊MSK2570 樹脂錨固劑。頂部錨桿錨固力不小于10T，幫部錨桿錨固力不小于5T，錨桿扭矩力不低于250 N·m。

7）聯網鐵絲。聯網鐵絲使用14#鐵絲，長度為350～400 mm，網扣扣扣相連，網扣不低于3 圈，并將扎絲挽向煤（巖）壁，防止刮人。

8）工字鋼錨梁規格為12#工字鋼，長度3600 mm，孔距3200 mm，端孔距端頭的距離200 mm。工字鋼錨梁托盤規格120 mm×60 mm×10 mm，材質Q345B。

3.2.2 架棚支護材料

1）架棚梁、腿。使用12#工字鋼加工焊制，梁×腿=3.8 m×3.0 m。

2）格賓網。選擇10#鐵絲編制的格賓網進行護頂。頂部使用規格為長×寬=4.2 m×0.9 m的格賓網，幫部使用規格為長×寬=2.8 m×0.9 m 的格賓網。

3）半圓。長1.20 m，寬0.15～0.18 m，厚度0.06～0.08 m。方 枇 子 規 格：長× 寬× 厚=1.20 m×0.10 m×0.05 m。

4）撐棍。長880 mm，寬、厚均為50 mm。

5）木鞋。長×寬×厚=0.3 m×0.2 m×0.05 m。

6）枇子捆。使用礦加工的枇子捆，用于填幫裝頂。

7）木楔。規格（不低于）高×寬×長=40 mm×（80～100） mm×150 mm。

8）錨桿。使用左旋無縱筋高強錨桿，規格為Φ18 mm，長度為2000 mm，錨桿均使用配套標準螺母緊固。錨桿托盤：規格為長×寬×厚=150 mm×150 mm×8 mm

9）錨固劑。規格為Φ25 mm×700 mm 錨固劑。錨桿錨固劑型號為MSK2570。

3.3 錨網支護技術要求

3.3.1 支護方式

頂板上部煤矸厚度達到6 m 及以上時，采用錨網索梯支護，每排打設2 棵Φ17.8 mm×5000 mm錨索，間排距1800 mm×1800 mm，每隔一排打設一組，一組兩棵，不再使用錨梁加強支護。如圖2。

圖2 錨網索支護（mm）

結合山東科技大學采礦工程研究院、泰安方舟礦業科技有限公司對柴里煤礦開展的煤巖性分析及專項支護設計方案，通過支護驗算計算，錨網巷道頂部選用MSGLW-500/18×2400 左旋螺紋鋼無縱筋高強錨桿，間排距（900×950） mm±100 mm，配合使用格賓網和鋼筋梯護頂；巷道幫部錨桿使用MSGLW-500/18×2000 高強錨桿，間排距為（800×950） mm±100 mm。

3.3.2 臨時支護

臨時支護采用機載式臨時支護裝置，采用掘進機液壓系統控制，該裝置全長2800 mm，全寬3150 mm。正巷機掘臨時支護使用機載式前探梁的操作步驟：掘進機切割完兩排后，將掘進機退回兩排距離，停放在巷道中線上。切割頭落地，操縱機載臨時支護裝置控制閥，使頂梁順利翻轉到切割頭前方，將金屬網、鋼筋梯預先放置在支護裝置的頂梁上。再把翻轉梁向上拉起，調節頂梁的高低，使之平行于頂板并逐步接近頂板。操縱伸縮油缸，推動頂梁接觸頂板加力，操縱支撐油缸形成初撐力。掘進機停電閉鎖，臨時支護工作完成。

3.3.3 臨時支護、永久支護與工作面煤壁的關系

機掘施工臨時支護緊跟工作面煤壁，每施工一個循環進度，進行一次臨時支護，然后進行一次永久支護。循環進度1800 mm，切割后的最大控頂距2200 mm，永久支護后最大空頂距為400 mm。每班切割兩排后，由外向里對頂板進行錨網支護。當頂板破碎、折幫嚴重或遇到特殊地質條件下，切割循環進度800 mm，最大控頂距1200 mm，并及時打設幫錨。生產班組每次切割后，首先用長柄工具進行敲幫問頂，人員站在臨時支護下由后向前對頂板進行錨網支護。對頂板錨網支護后再打設兩幫上部兩棵錨桿，兩幫下部的兩棵錨桿在出炭后集中打設。每個生產班組完工后，要確保幫部下部2 棵錨桿滯后迎頭不超過6 m。

3.4 錨網支護和架棚支護交替進行技術要求

3.4.1 支護方式

施工至頂板上部煤矸厚度達到4～6 m 時，采用錨網梯索梁和架棚錨網復合支護交替進行，采用錨網梯索梁時，每排打設2 棵Φ17.8 mm×4000 mm錨索配合錨梁加強支護；每隔10 m 進行架棚錨網復合支護，復合支護架棚為一單一對棚支護，棚距850 mm；扶設三架棚后，再恢復錨網梯索梁支護。如圖3。

圖3 錨網梯索梁支護 （mm）

3.4.2 臨時支護

錨網支護臨時支護同支護方式3.3.2。

架棚巷道臨時支護采用2 根12#工字鋼制作的前探梁，間距（2200±200） mm。前探梁長4.0 m，每根前探梁3 個固定點，固定點使用吊環和棚梁連接。螺旋式吊環采用Φ20 mm 螺紋鋼制作，棚梁與前探梁之間用方木和木楔剎緊，居中均勻布置。

3.5 錨網架棚復合支護技術要求

3.5.1 支護方式

采取先錨網后套棚的支護方式，套棚緊跟迎頭。架棚支護為一單一對支護。施工棚距為（850±50 ）mm。棚腿扎角為14°±1°。錨網支護頂部使用Φ18 mm×2400 mm 高強錨桿，頂部5 棵錨桿，均勻布置在頂部半圓檔內。幫部使用Φ18 mm×2100 mm 高強錨桿，幫部錨桿的間排距為（700×850） mm±100 mm，每幫3 棵錨桿。如圖4。

圖4 錨網架棚復合支護（mm）

3.5.2 臨時支護

架棚施工期間采用2 根12#工字鋼制作的前探梁進行臨時支護，間距（2200±200） mm。前探梁長4.0 m，每根前探梁3 個固定點，固定點使用吊環和棚梁連接，吊環采用Φ20 mm 螺紋鋼加工制作的螺旋式吊環，棚梁與前探梁之間用方木和木楔剎緊。若迎頭煤壁前折，前探梁必須竄至煤壁，并用半圓或枇子進行臨時前探支護。

3.5.3 臨時支護、永久支護與工作面煤壁的關系

綜掘機切割掘進每循環進度為850 mm，巷道支護緊跟迎頭，每施工一個循環，進行一次臨時支護，最大控頂距1250 mm，最小控頂距400 mm。

3.5.4 永久支護設計

1）架棚支護為一單一對支護。施工棚距為（850±50） mm。棚腿扎角為14°±1°。

2）錨網支護頂部使用Φ18 mm×2400 mm 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，頂部5 棵錨桿，均勻布置在頂部半圓檔內。幫部使用Φ18 mm×2100 mm無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，幫部錨桿間排距為（700×850） mm±100 mm，每幫3 棵錨桿。

3.6 架棚支護技術要求

3.6.1 支護方式

永久支護采用12#工字鋼架棚支護，支護規格為梁×腿=3.8 m×3.0 m，對棚支護，支護棚距為850 mm。頂部7 塊半圓，幫部4 塊方枇子腰幫背頂。頂部使用一片格賓網護頂，兩幫各使用一片格賓網護幫。如圖5。

圖5 架棚支護（mm）

3.6.2 支護質量要求

1）扶設支架應嚴格按中線施工，有腰線的區段必須嚴格按腰線施工，中線誤差必須在合格誤差范圍內，腰線允許誤差（-30～+50 mm）。

2）嚴格跟設計施工層位施工，棚高低要前后照應，不得忽高忽低。

3）傾斜巷道迎山角必須符合要求：傾斜巷道每增加5°～8°支架迎山角增加1°。

4）支架梁要水平，不得出現淋肩現象，梁水平度偏差不得大于40 mm。

5）支架垂直于巷中線，支架梁扭矩必須在合格范圍內，偏差不得大于50 mm。

6）柱窩：棚腿要栽在實底上，柱窩超深或松軟時必須先挖至實底后再穿木鞋，柱窩深度不得小于設計值。

7）梁腿接口要嚴，不得離合錯位，接口處不得出現梁滾肩、不跟刻、壓偏、腿偏轉等現象。

8）立柱斜度要前后照應，偏差不大于1°。

3.6.3 腰幫背頂

1）格賓網。使用格賓網背頂腰幫時，要將頂部瞞嚴，每棚幫部格賓網與頂部格賓網之間的搭茬以及前后棚格賓網之間的搭茬必須嚴密，格賓網要鋪設平整，鋪設要與相鄰的棚梁保持平行，方向一致，不得調斜。當頂部有空余部分，必須用枇子捆或舊料在網上面填實裝牢，嚴禁空頂。當頂板破碎時，使用格賓網背頂時，必須用14#鐵絲聯網，網扣間距為200 mm，網扣不少于3 圈，前后棚頂網與頂網之間的搭茬為0～100 mm。

2）背板。頂、幫背板分布要均勻，背板順巷道方向與梁腿垂直，背板要確保隔棚成線，前后棚相鄰兩塊背板搭茬接頭要嚴密緊貼，不留空隙，背板兩端頭要超過兩側梁腿的外緣，并且必須接實頂幫，腰緊背牢，不得松動，接不實的背板一律用木楔打緊塞牢，防止漏網、墜網。

3）木楔。木楔中心與半圓中心線一致，打緊打牢，嚴禁加重楔。

4）撐木。每棚6 棵撐木，棚梁上打在距梁腿接口以里300 mm 的位置，棚腿上部打在梁腿接口下300 mm 的位置，下部打在距底板400 mm 的位置，撐木拉線打設牢固平直，且兩端不準加墊。

4 施工方法

4.1 鑿（煤）巖方式

1）23下607 東運輸巷采用EBZ-230 型掘進機破煤掘進，通過掘進機運至機后的輸送機實現連續化運輸。施工硐室采用鉆眼爆破法進行施工。

2）打眼機具。使用ZQS-60/1.9S 型手持式氣動鉆機打眼，采用氣動鉆機配備的供水釬子濕式打眼，鉆頭使用Φ42 mm 的雙翼鉆頭，氣動式鉆機的風源由敷設的壓風管路供風。

3）降塵方法。濕式打眼、爆破使用水炮泥，爆破前后對爆破地點20 m 范圍內灑水降塵，爆破或切割后沖刷巷幫，掘進機使用噴霧裝置和除塵風機，各轉載點使用噴霧裝置，爆破或切割時后路使用兩道除塵噴霧降塵，爆破時使用遠程噴霧，爆破后灑水降塵。

4.2 作業方式

1）該掘進工作面采用“三八制”作業方式組織生產，即兩個生產班、一個檢修班。

2）生產班主要負責：施工前的材料準備、工作面切割和工作面支護、跟機清理衛生。

3）檢修班負責：掘進機的日常維護、保養、故障處理及后路機械電氣設備的安裝維護、維修，跟機設備的延接、維護、維修。

4）后路軌道鋪設及安全設施的安裝、維護由檢修班負責，可與生產班平行作業，同時進行巷道衛生清理和后路支架加固維護及巷道質量整改。

4.3 人員配置

1）生產班設副區長1 人，班長1 人，綜機設備操作及維護2 人，支護操作及綜合職能5 人，合計9 人。各工種必須持證上崗。

2）后路運輸設備操作人員列為輔助工，不作為班組直接工進行班組定崗限員考核。隨著生產進度，隨時配備運輸輔助工。

4.4 勞動組織管理

1）值班人員點名后，根據井下實際生產情況布置當天的工作量及安全注意事項，做好人員安排及安全責任人的安排。

2）工區跟班副區長班前會總結前一天生產過程中存在的安全隱患及工程質量問題，安排現場隱患排查防范措施及當班各崗位安全、質量注意事項。

3）班長根據當班出勤人員，分配任務具體到人。

4）班前會結束后，列隊下井。

5）接班后由跟班副區長組織當班質量驗收員、安全班長，由外向里檢查施工地點安全狀況，對存在的安全隱患組織人員進行整改。確保安全后，由安監員掛上開工牌后，方可組織生產。

6）當班工作完成后，由跟班副區長、質量驗收員、班長對當班的工程質量進行聯合驗收，對不合格的項目組織人員進行整改。班長及以上管理人員進行現場交接，其余人員退出施工巷道后，下班接班人員方可進入施工迎頭。管理人員交接班后，施工人員方可進入施工。

7）交接班結束后，由跟班副區長組織召開班后會，總結當班的安全生產狀況、存在的不足。

5 實踐效果

根據23下607 東運輸地質狀況，中矸厚度不同，采用4 種支護方式，通過后期巷道的壓力顯現觀測看，這種支護設計既保證了巷道支護強度，又加快了施工進度，節約了施工成本。巷道采用4 種支護方式比單純使用架棚支護節約材料成本及人工資金300 多萬元，降低了采掘勞動強度，平均減少了3道工序，提高了施工效率，為采煤工序提供了便利性。經驗證，這種應用較科學合理，具有可行性，已進行較大范圍的推廣。

6 結語

工作面地質情況復雜時，為保證掘進、采煤的順利進行，應根據不同的情況采用不同的支護措施。根據23下607 工作面實際情況，確定采用四種支護方式進行施工，按照制定的安全技術措施，順利完成了工作面的掘進和回采，效果較好，為以后的正常采空區下掘進提供了有力的技術支撐和證明。