U型鋼棚配合錨索支護(hù)技術(shù)在軟巖回采巷道中的應(yīng)用

黃夢飛

（河南永華能源有限公司嵩山煤礦 河南 洛陽 471924）

0 引言

軟巖（煤）巷道由于巖（煤）體較軟，圍巖易松動、離層、片冒，掘進(jìn)過程中一般采用U型鋼或工字鋼架棚被動支護(hù)，架棚巷道受圍巖應(yīng)力及采動壓力影響，極易發(fā)生變形、造成巷道失修。嵩山煤礦主采二疊系山西組二1煤層，煤層直接頂為泥巖，普氏硬度系數(shù)2～3，相對較軟，二1煤層厚度煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含夾矸，煤層受滑動構(gòu)造影響，組織疏松，強(qiáng)度低，普氏硬度系數(shù)小于0.3。礦井采煤工作面回采巷道以往掘進(jìn)過程中主要采用U型鋼架棚支護(hù)，由于圍巖（煤）較為松軟、破碎、壓力比較大，采煤工作面回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)巷道失修情況，影響通風(fēng)和行人，采煤工作面回采結(jié)束前，回采巷道要進(jìn)行2～3輪整體擴(kuò)修，巷道擴(kuò)修投入較大人力、物力，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。

鑒于此，結(jié)合嵩山煤礦二1煤層頂板地質(zhì)條件，在2112運(yùn)輸順槽采用U型鋼棚配合錨索支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)采用架棚被動支護(hù)和錨索主動支護(hù)相互耦合的方式將巷道頂、幫軟巖固定、限位，防止軟巖（煤）的離層、松動，從而降低巷道圍巖壓力，減少巷道失修變形量[1-6]。

1 工程概況

嵩山煤礦2112工作面下順槽設(shè)計長度1 150 m，埋藏深度610 m左右，掘進(jìn)期間揭露煤層為二疊系山西組二1煤層，煤（巖）層為單一緩傾斜構(gòu)造，近東西走向，傾向北，傾角9°～20°，平均15°。煤層厚度：1.61 m～6.77 m，平均煤厚3.78 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含夾矸,厚度在0.1 m～0.4 m之間，煤層受滑動構(gòu)造影響，組織疏松，強(qiáng)度低，煤層以粉末狀為主，塊狀較差，普氏硬度系數(shù)小于0.3。煤層頂、底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性表

2 巷道支護(hù)設(shè)計

2.1 巷道斷面

巷道沿二1煤層底板掘進(jìn)，梯形半圓拱斷面，采用U型鋼棚+塑料護(hù)幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+背板（鋼筋梯）+錨索支護(hù)，斷面規(guī)格為：凈寬（拱基線處）×凈高=4 600×3 200 mm；掘進(jìn)高度為3 450 mm、掘進(jìn)寬度為5 100 mm（起拱線位置）；外扎角5°，內(nèi)扎角85°，柱窩深500 mm，掘進(jìn)斷面為15.4 m2，凈斷面為12.8 m2。棚距為700 mm（調(diào)棚時除外）。巷道斷面圖如圖1所示。

圖1 巷道斷面圖

2.2 巷道支護(hù)

（1）鋼棚為4節(jié)結(jié)構(gòu)，采用U36型鋼加工，節(jié)與節(jié)之間采用3副卡纜進(jìn)行固定（搭接端部使用限位卡纜）。棚腿與頂梁搭接長度400 mm、頂梁之間搭接長度為600 mm。棚與棚之間采用3副簡易連板進(jìn)行連接，連板安裝在支架搭接處中部卡纜位置（調(diào)棚時連板長度可調(diào)整）?？ɡ|、連板要與巷道中線方向一致，成排成線且不得影響錨索施工。卡纜螺栓扭矩300 N·m。

（2）采用塑料護(hù)幫網(wǎng)（9 000×800 mm，根據(jù)施工需要進(jìn)行長度裁剪）、菱形網(wǎng)（?8 mm，5 000×800 mm、2 000×800 mm）配合鐵背板(寬50 mm、長900 mm U36型鋼加工或?12 mm鋼筋加工的鋼筋梯）背設(shè)。采用鋼筋梯背設(shè)時，全斷面沿巷道輪廓線布置4條鋼筋梯（2 400×100 mm）并用鐵絲固定在菱形網(wǎng)上，鋼筋梯搭接長度不小于100 mm，最后背設(shè)背板（頂板破碎時可先背設(shè)背板，鋼筋梯布置在背板外面）。塑料護(hù)幫網(wǎng)在內(nèi)層、菱形網(wǎng)在外層（菱形網(wǎng)供應(yīng)不及時，可采用鋼筋網(wǎng)配合塑料護(hù)幫網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表；菱形網(wǎng)及鋼筋網(wǎng)均供應(yīng)不及時時，可采用塑編網(wǎng)配合塑料護(hù)幫網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表；當(dāng)菱形網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)及塑料護(hù)幫網(wǎng)均供應(yīng)不及時時，采用雙層塑編網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表）。

（3）背板頂部間距300 mm、幫部400 mm；采用鋼筋梯作為背板時，頂、幫鋼筋梯間距400 mm。頂部和兩幫的背板應(yīng)與巷道中線平行，背板兩頭要穿過鋼梁。背幫、背頂材料要緊貼圍巖，不得松動或空幫空頂；頂幫有空洞時，可用荊笆（800×400 mm）或背木填實(shí)背嚴(yán)（不得妨礙打設(shè)錨索）。

（4）鋼棚架設(shè)完成后，在后巷棚襠間打設(shè)錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，全斷面布置12根錨索。錨索采用第一輪、第二輪隔棚交替施工的方式打設(shè)，頂部錨索間排距650×700 mm，幫部錨索間排距600×700 mm（詳見支護(hù)斷面圖）。局部空幫、空頂部位或背木、釬桿影響部位可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整間排距，允許±100 mm誤差（塌孔時除外）。錨索規(guī)格：頂部為?21.6×8 300 mm，幫部為?21.6×7 300 mm。每根錨索使用1支MSK2350、2支MSZ2350型錨固劑，錨索錨固力不低于200 kN，錨索外露長度150 mm～200 mm，錨索托盤采用兩種規(guī)格的托盤交替使用，即第一排托盤規(guī)格為400 mm×400 mm×20 mm、第二排托盤規(guī)格為360 mm×360 mm×10 mm（YTP高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力托盤），若沒有其中一種規(guī)格的則全部采用另一種規(guī)格的托盤。使用液壓挖掘機(jī)時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過10棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15棚；未使用液壓挖掘機(jī)時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過7棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15棚。

（5）施工期間頂板錨索長度可根據(jù)煤厚情況進(jìn)行調(diào)整。煤厚＜3.5 m時，錨索長度5 300 mm；3.5 m≤煤厚≤5.0 m時，錨索長度6 300 mm；煤厚＞5.0 m時，錨索長度8 300 mm。局部錨索塌孔，可在附近區(qū)域調(diào)整間排距進(jìn)行打設(shè)。

（6）塑料護(hù)幫網(wǎng)搭接長度不小于100 mm，每隔200 mm用12#鐵絲交叉扎緊綁牢，菱形網(wǎng)搭接長度不小于100 mm，搭接處采用12#雙股鐵絲連網(wǎng)，連網(wǎng)間距100 mm，呈“三花”布置，鐵絲要求扭動不少于3圈并且扭緊扭牢。

3 掘進(jìn)方式及施工工藝

3.1 掘進(jìn)方式

采用風(fēng)鎬配合手鎬或者使用液壓挖掘機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，后巷使用膠帶輸送機(jī)配合刮板輸送機(jī)運(yùn)輸。前期掘進(jìn)時采用風(fēng)鎬配合手鎬進(jìn)行掘進(jìn)架棚，待順槽長度滿足安裝挖掘裝載機(jī)時（約7 m左右），可采用MWD2/0.12L型煤礦用液壓挖掘機(jī)配合風(fēng)鎬或手鎬落煤（巖），挖掘機(jī)裝煤。若出現(xiàn)矸石較硬，使用風(fēng)鎬或挖掘機(jī)作業(yè)困難，需采用爆破方式進(jìn)行掘進(jìn)時，另行編制爆破專項(xiàng)安全技術(shù)措施。

3.2 施工工藝

（1）架棚施工工藝

交接班→安全檢查（敲幫問頂）→打設(shè)超前骨架→延長刮板輸送機(jī)→挖掘機(jī)鏟挖上部煤（巖）體、風(fēng)鎬及手鎬配合開挖→敲幫問頂→臨時支護(hù)→安設(shè)頂梁→背頂→迎面墻防護(hù)→挖掘機(jī)鏟挖下部煤（巖）體、風(fēng)鎬及手鎬配合開挖→安設(shè)棚腿→背幫→清理下部煤矸并整理迎頭。

（2）注水施工工藝

安全檢查、敲幫問頂→打設(shè)注水孔→安裝封孔器→注水。利用檢修班時間打設(shè)注水孔注水（巷道遇到薄煤層、褶曲等打設(shè)注水孔位置為砂質(zhì)泥巖時，不再進(jìn)行注水工作）。

（3）錨索施工工藝

安全檢查、敲幫問頂→鉆孔→安裝錨索→張拉錨索→錨索頭防護(hù)。打錨索可與掘進(jìn)平行作業(yè)。

4 應(yīng)用效果分析

（1）巷道變形量分析

礦井原2110綜采工作面回采巷道僅采用U型鋼棚支護(hù)，采煤工作面回采期間，回采巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐? 430 mm，兩幫移近量最大為1 670 mm，巷道變形嚴(yán)重，通風(fēng)斷面小于設(shè)計斷面三分之二，變形嚴(yán)重的地段需要返修后方可滿足通風(fēng)、行人、運(yùn)輸需要。

2112工作面下順槽巷道掘進(jìn)期間每50 m設(shè)置一組巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平亢晚敯咫x層觀測站，每7天觀測一次。通過實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，回采巷道掘進(jìn)結(jié)束，采煤工作面回采前，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?60 mm，兩幫移近量最大為370 mm，頂板離層儀淺基點(diǎn)最大離層量230 mm，深基點(diǎn)最大離層量230 mm，由此可知，巷道采用U型鋼棚配合錨索支護(hù)技術(shù)后，巷道上部直接頂軟巖有少量松動、離層，基本頂堅硬離層無明顯離層情況，巷道兩幫移近量在設(shè)計允許范圍之內(nèi)，頂?shù)装逡平恐饕窍锏赖坠囊穑ㄟ^巷道臥底即可保證巷道斷面，無需重新返修巷道。

（2）錨索支護(hù)滯后掘進(jìn)工作面的距離不大于20 m，因此，錨索支護(hù)可與巷道掘進(jìn)平行作業(yè)，不影響掘進(jìn)速度。

（3）采煤工作面回采期間，受采動壓力影響，工作面推采位置向外50 m范圍內(nèi)巷道變形量最大，及時臥底后，實(shí)測巷道斷面積仍大于設(shè)計斷面積的三分之二，不影響采煤工作面正常通風(fēng)與行人，因此不需要擴(kuò)修。

5 結(jié)論

（1）U型鋼配合錨索協(xié)同支護(hù)軟巖巷道，能夠發(fā)揮和提高U型鋼支架的整體承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時U型鋼支護(hù)又為錨索支護(hù)提供可靠的護(hù)表構(gòu)件，發(fā)揮和提高錨索的錨固性能，提高了巷道支護(hù)強(qiáng)度。

（2）實(shí)踐證明，采用U型鋼配合錨索支護(hù)相對于單獨(dú)U型鋼棚支護(hù)，巷道變形量明顯較小，最大變形后巷道斷面仍大于設(shè)計斷面的三分之二，達(dá)到一次成巷至采面回采結(jié)束無需返修的效果。

（3）采用錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道掘進(jìn)成本增加約1 100元/m，巷道返修成本減少約3 600元/m，實(shí)際減少成本2 500元/m，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（4）U型鋼拱部受圍巖壓力最大，拱部補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索深入基本頂堅硬巖層1 m以上，可有效防止巷道深基點(diǎn)離層，有利于巷道整體穩(wěn)定。