复杂条件下煤巷分层掘进施工工艺探析

张照宇

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037000）

马脊梁矿在上覆采空区的影响下，工作面过辅运巷期间，由于再生顶板胶结不充分，遇到煤层变薄带会使顶板压力增大而出现破裂，影响掘进施工的安全性，进而影响掘进速度和效率[1-3]。8125工作面掘进至757 m时进入断层影响区，巷道的成型效果差，支护难度大，顶板破碎比较严重，采用传统的施工工艺不能保证正常的掘进安全和施工速度。因此，研究决定采用分层掘进的施工方法，并进行合理支护，以确保巷道的施工安全。

1 概况

马脊梁矿一盘区8125工作面煤层结构复杂，煤层厚度为5.58～8.10 m，平均4.87 m，局部含有4～5层矸石，厚度为0.21～0.88 m。矸石的岩性多为砂泥岩、高岭岩，局部煌斑岩侵入，其周围5～10 m范围内煤发生变质。煤层倾角1°～5°，以暗淡型煤岩为主，煤种主要是气煤，与上覆14-3#煤层的层间距为189～222 m。

2 分层掘进施工工艺

2.1 施工原理

在巷道全断面发生爆破时，爆破的威力会削弱围岩的稳定性，使承载梁出现断裂现象。为了避免对巷道围岩造成的破坏，采用分层爆破的方法，将巷道分成上下两层，通过合理设计炮眼位置、爆破方式以及装药量等相关参数，分多次进行爆破，降低对巷道围岩的破坏[4-5]。

2.2 施工工艺

（1）以巷道中线作为控制线，用红漆标定出皮带巷的两帮，并在皮带巷上搭设一个宽度为4.5 m、长度为5.0 m、高度为2.0 m的工作盘。在工作盘中部输送机上方预留一个漏煤口，漏煤口长3.0 m，宽度为1.0 m。在施工期间，为了确保施工的安全性，在工作盘的两侧加装金属网进行护栏。

（2）搭设好工作盘后，在距离工作盘25 m处安装两台局部通风机和风筒。

（3）在机头处施工绞车硐室，采用松动爆破法进行施工，绞车硐室的宽为4.5 m，高为3.2 m，深度为3.0 m，硐室的顶板与机头段的顶板处于同一位置。

（4）在硐室内安装一个耙岩机，在漏煤口安装两根滚管，以减少对钢丝绳的磨损，滚管的直径为0.2 m，长度为0.8 m。

（5）对皮带巷顶板进行挑顶，挑顶断面的长度为4.5 m，宽度为4.5 m，深度为2.2 m，在挑顶后及时进行永久支护。

（6）采用分层爆破施工方法，从皮带巷向轨道巷进行施工，断面宽度为4.5 m，高度为3.2 m。在巷道掘进10 m后，从顶板下山掘进，斜坡角为7°，继续掘进8.5 m后沿煤层顶板平行掘进，确保巷道的高度达到3.0 m，直到与轨道巷贯通。分层爆破施工剖面图如图1。

图1 分层爆破施工剖面图（mm）

（7）在巷道贯通后，在皮带巷预留底煤的平台上安装耙岩机，继续向机头段施工，施工工艺与上述相同。机头段的分层爆破施工剖面图如图2。

图2 机头段分层爆破施工剖面图（mm）

（8）上分层施工完成后，再采用爆破起底方法对下分层的预留底煤进行施工，确保巷道的断面尺寸符合相关设计要求。

3 联合支护

为了提高巷道顶板的稳定性，对分层爆破的开口段进行联合加强支护，采用撞楔超前支护+恒阻锚索桁架支护+双梁梯形棚的支护方式[6-8]。

3.1 撞楔超前支护

为了预防因支护不及时出现的顶板冒落情况，在爆破施工前对顶板进行撞楔超前支护。采用空钢管与煤壁垂直方向进行支护，钢管的长度为3.0 m，直径为30 mm。具体为：采用手持式钻机对巷道顶板位置进行钻孔施工，钻孔深度为3.0 m，直径为35 mm，每个钻孔之间的距离为0.5 m，依次在钻孔内安装锚固剂和支护体，并用钻机进行锚固，支护体要超出钻孔0.3 m。撞楔超前支护后对巷道进行爆破，爆破掘进1.0 m后，采用锚杆锚索对顶板进行永久支护，中间使用托板或钢带进行预紧。

3.2 恒阻锚索桁架支护

为了预防在掘进过程中受应力作用而导致顶板出现下沉和离层等现象，对顶板进行恒阻锚索桁架支护[9-10]。通过预紧两根有倾角的锚索，在锚索产生主动支护的同时，产生一个垂直向上的被动支撑，减少顶板垂直向下的应力。使用一个双向张拉器、两根恒阻锚索、两根螺纹钢锚杆进行支护。其中，恒阻锚索的直径为21.6 mm，长度为8.0 m；螺纹钢的直径为22 mm，长度为1.6 m，在螺纹钢的两端焊接一个孔径25 mm的圆孔。在距离巷帮1.0 m处进行锚索钻孔，钻孔的深度为8.0 m，与顶板的夹角为75°，终孔位置在帮部的岩体内。对钻孔依次注入锚固剂和恒阻锚索，锚索超出钻孔0.25 m，在锚索外露的一端安装螺纹钢锚杆，使用张拉器进行拉紧，桁架的支护间距为1.5 m。顶板联合支护断面示意图如图3。

图3 顶板联合支护断面示意图（mm）

3.3 双梁梯形棚支护

为降低传统钢棚对顶板的破坏影响，防止顶板出现破碎和下沉等现象，在巷道30～60 m处架设双梁梯形棚，主要包括钢棚腿、底座和双梯形梁。其中，4根长为2.5 m的钢棚腿，2根主梁长为4.8 m的双梯形梁，主梁之间的距离为0.5 m，主梁与主梁之间采用10根10#槽钢进行连接，间距为0.5 m。先将棚腿底座固定在底板上，用地锚进行固定，然后采用插入式连接方式，依次连接棚腿，搭接长度大于0.5 m，在棚腿的顶端焊接11#凹槽，将顶梁插入凹槽内并固定。如果顶梁不能直接与顶板接触，通过调整棚腿的高度来调节顶梁与顶板的距离，使其密切接触。

4 效果分析

在掘进期间对巷道联合支护范围内的巷道围岩变形量进行观测。采取联合加强支护方式后，巷道顶板的最大下沉量为0.13 m，掘进5 d后，巷道顶板的稳定性得以提高，巷道的掘进量减少1450 m3，掘进时间减少8 d。采用分层掘进施工方法，掘进效率明显提升，且巷道顶帮的煤体强度得到提高，支护效果较好，顶板完整性较好。

5 结论

针对马脊梁矿8125工作面巷道成型质量差、巷道支护难度大、矸石运输效率低等问题，采用分层掘进施工工艺方法，并对开口段进行联合加强支护，结果如下：

（1）采用分层掘进施工方法，在确保巷道施工安全的同时，减少了设备的安装次数，加快了巷道的掘进效率，节约支护成本约17万元。

（2）采取联合加强支护方式后，在掘进过程中，巷道顶板的最大下沉量为0.13 m，在掘进5 d后，巷道顶板的稳定性得以提高，支护效果较好，顶板完整性较好。