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，通過陜西何家塔煤礦和山西野川煤礦2個應(yīng)用實例的圍巖變形控制現(xiàn)狀，從機理、方案、支護等方面提出了無煤柱條件下開采方法的改進意見及圍巖控制技術(shù)的發(fā)展方向。周依朋[2]針對高河能源W2307 工作面受上覆基本頂巖層運移的影響，研究了進風(fēng)順槽掘進、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)計了五種不同間排距巷內(nèi)支護方案，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)同支護體系，提高了幫部、頂?shù)装寮跋锱灾ёo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)同補強”技術(shù)，針對頂板支護，使用Φ21.8 mm 的高強度錨索，同時增大支護密度，有效提升了頂板支護強度，煤柱幫通過使用Φ15.24 mm 的錨索，加強煤柱幫側(cè)向支護阻力作用，強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，在采掘過程中遇到斷層、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，由于地應(yīng)力紊亂，礦壓變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致原本支護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支護非常必要[5-7]。

1 工程概況

朔州煤電鐵峰增子坊礦5102 回風(fēng)順槽掘進工作面，地層呈一不對稱背斜構(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0.60 m，無偽頂。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

工作面掘進過程中，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，巷道掘進過程中遇到伴生構(gòu)造影響，煤巖層傾角增大、局部下沉、支護失效等情況顯現(xiàn)，并伴隨離層、變形、破碎甚至局部冒頂現(xiàn)象。故需要制定過構(gòu)造措施，加強頂板管理。

2 原巷道支護設(shè)計

5#層51 盤區(qū)5102 回風(fēng)順槽巷道掘進規(guī)格設(shè)計：寬5.0 m，高3.3 m，斷面積為16.5 m2，長度為1142 m。支護設(shè)計為：錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

2.1 原巷道支護

5102 工作面733 m 處原支護設(shè)計為錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。頂錨桿和幫錨桿均選用Ф20 mm×2200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼 號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 級低松弛鋼絞線，抗拉強度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°，允許達到設(shè)計值的±5°。錨索外露長度必須控制在150～250 mm，錨固長度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。在掘進過程中每間隔100 m 金屬網(wǎng)斷開800 mm，用塑料網(wǎng)搭接。

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

2.2 永久支護

永久支護距工作面最大和最小空頂距分別1800 mm 和800 mm，循環(huán)進度1000 mm。永久支護完后剛好為一個錨桿支護間距，則縮小錨桿支護間距為300～500 mm，補支一排永久支護。頂支護后的永久支護距工作面最大距離為不大于一個永久支護間距，嚴(yán)禁超空頂作業(yè)。護幫錨桿永久支護距工作面滯后距離不大于5000 mm，片幫嚴(yán)重時支護緊跟工作面。

2.3 錨固劑

頂錨桿使用MS02335 和MSK2360 樹脂各1 根，幫錨桿使用MSK2360 樹脂錨固劑1 根，頂幫錨桿錨固長度分別為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 根樹脂錨固劑（MSK2360 型2 根、MSZ2335 型1 根），錨固長度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相連。隨著推進的同時攪拌藥卷，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，保持鉆機推力1～3 min 后方可收縮錨桿鉆機，卸下錨索鉆機。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，使用張拉千斤頂進行張拉。安裝托板與鎖具，用錨索張拉力機具張拉緊鋼絞線，達到錨固力>285 kN。鉆機停轉(zhuǎn)時才可以進行接、卸鉆桿。進行張拉預(yù)緊鋼絞線操作時，必須使千斤頂與鋼絞線保持在同一軸線上。

3 補強支護

3.1 臨時支護

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

臨時支護使用機載前探梁支護，支護范圍為長×寬=2050 mm×2754 mm，然后進行頂板支護，做到工作面無空頂。支護不夠高時，先落下支護架再抬高機頭，然后再升高支護架。遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造時，需加強巷道臨時支護管理。

掘進機落煤、出煤，掘進循環(huán)進尺1000 mm。永久支護最小空頂距800 mm，最大空頂距1800 mm。兩幫護幫支護最大允許滯后距離為5000 mm（時間不超過24 h）。錨索距工作面的迎頭距離不得大于1 個錨索支護間距，即1800 mm。

頂部永久支護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（時間不超過24 h），如遇煤質(zhì)松軟、片幫嚴(yán)重必須及時支護到工作面，并嚴(yán)格執(zhí)行短掘短支。臨時支護平面圖和剖面圖如圖1 和圖2。

圖1 臨時支護平面圖（mm）

圖2 臨時支護剖面圖

3.2 補強方案

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，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)，此時支護方式變?yōu)殄^固劑+錨桿+鋼帶+錨索+U29 鋼棚聯(lián)合支護。頂錨桿采用Ф20 mm×2200 mm 的錨桿，材質(zhì)為左旋無縱筋螺紋鋼，鋼號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，壓力凸顯明顯時縮短間距為300～500 mm。架棚永久支護每次掘進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。工作面支護斷面圖如圖3，圖4 和圖5 分別為對應(yīng)的俯視圖和剖面圖。

圖3 5102 工作面支護斷面圖（mm）

圖4 5102 工作面支護平面圖（mm）

圖5 5102 工作面支護剖面圖（mm）

3.3 錨桿施工工藝

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

2）打眼時。無關(guān)人員不得靠近10 m 范圍內(nèi)；嚴(yán)格按設(shè)計規(guī)定作出標(biāo)記，定好眼位；采用短桿打眼、長桿套眼，隨時掌握好角度、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；攪拌錨固劑時切勿用力過猛，要用力均勻，如有卡鉆或聲音異常時，要及時停鉆并檢查，處理無礙后重新啟動。

3）安全技術(shù)。移動/放下鉆架時必須扶好，防止跌倒，防止斷桿、脫桿或鋼絞線脫開，以免傷人，注意頂板狀況，防止零皮傷人；安裝托板時要整齊，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，與主要處垂直布置托板；及時更換損壞托板，有不合格或損壞的錨桿要及時補打一眼；有技術(shù)部、地質(zhì)部提供的地質(zhì)預(yù)報、鄰近小窯破壞情況，在過地質(zhì)構(gòu)造、斷層、小窯破壞區(qū)之前執(zhí)行“先探后掘，長探短掘”的原則；過斷層時，必須先停止掘進，通知地質(zhì)組，探明斷層特征，確定掘進方案，制定專項措施后，方可繼續(xù)掘進。

3.4 錨索施工工藝

施工前必須對施工點進行“四位一體”及“敲幫問頂”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)動錨桿機鉆孔，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，攪拌錨固劑時要由慢到快，錨索插入鉆孔規(guī)定長度后，全速旋轉(zhuǎn)攪拌，結(jié)束后等待2～8 min，收縮鉆機，卸下攪拌器。安裝托板與鎖具，用張拉力機具張拉緊鋼絞線，達到錨固力>285 kN；必須在鉆機停止運轉(zhuǎn)時卸鉆桿；鋼絞線要插入攪拌器底，攪拌器要深入鉆機底部，注藥卷時要有專人護住鋼絞線，防止因甩脫鋼絞線傷人；預(yù)緊鋼絞線張拉時，必須與千斤頂保持同一軸線。

安裝時嚴(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°，錨索外露長度必須控制在150～250 mm；鋼絞線與項板巖層面夾角允許達到設(shè)計值的±50°；錨固長度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)計值的90%；鉆孔鉆好后，將樹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錨桿鉆機和鋼絞線連接好；藥卷攪拌時，邊推進邊攪拌，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，保持鉆機推力1～3 min后方可撤下錨索鉆機；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，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，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，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，并打緊背牢；巷道局部地段壓力增大時，必須在該段鋼棚下補架鋼棚，不影響行人的地段先支設(shè)木點柱維護；修復(fù)或更換棚腿時，必須使用單體液壓支柱，將鋼梁抬起達到初撐力，修復(fù)或更換時，不少于4 根單體支柱進行操作，由外向里逐架進行；掘進工作面嚴(yán)禁空頂作業(yè)；修復(fù)支架時必須先檢查頂、幫，并由外向里逐架進行。

4 效果分析

加強支護后，通過現(xiàn)場反饋，巷道優(yōu)化支護后頂板變形速度降低，頂板下沉量不超過113 mm，與底板的相對移近量減少了97 mm（18%）。圍巖單軸抗壓強度由原本19 MPa 變?yōu)?7 MPa，提高3倍，承載能力變強，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，錨固效果和承壓強度提高，巷道掘進速率提高至8.1 m/d，且安全性得到保障。

5 結(jié)論

晉能控股集團增子坊煤礦5102 工作面掘進至733 m 處接近斷層時，原本設(shè)計的支護措施失效，為確保施工安全，對工作面制定了錨固劑+錨桿+鋼帶+錨索+架棚聯(lián)合支護等針對性的補強支護方案。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移近量減少，錨索和錨桿支護作用增強，頂板事故明顯減少，保證礦井安全生產(chǎn)。