大断面巷道快速开口施工工艺优化

李帅帅

（山西晋煤集团长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 概述

山西晋煤集团长平煤业有限责任公司53032 巷位于五盘区南翼，巷道北部为五盘区大巷，东部为5303 工作面，南部为实煤区，西部为53031 巷。如图1 所示。

图1 53032 巷平面布置示意图

53032 巷设计矩形断面为宽×高=5.0×4.0m，掘进煤层为3#煤层。煤层最大厚度为5.72m，最小厚度为5.12m，平均厚度为5.48m，普氏硬度为2.7～3.2，平均倾角为5°。3#煤层无伪顶，直接顶主要以砂质泥岩、细粒砂岩混合岩层为主，平均厚度为2.7m；基本顶主要以粗砂岩为主，平均厚度为9.2m。

53032 巷从五盘区胶带车巷开口并沿3#煤层顶板进行掘进施工。根据《五盘区53032 巷掘进规程》设计巷道掘进期间主要采用锚杆、锚索联合支护。采用Ф22/2400mm 锚杆，每排布置5 根，间排距=1.1×1.0m；采用Ф22×6.3mm 锚索，每排三根，间排距=1.8×3.0m。

2 53032 巷原开口施工方案及问题分析

2.1 巷道原开口施工方案

初步设计中53032 巷开口时全断面布置50 个爆破钻孔。其中掏槽孔8 个，深度为1.4m，水平角度为95°；辅助孔20 个，深度为1.2m；周边孔22个，深度为1.2m。全断面装药量为30.6kg。

2.2 问题分析

（1）巷道断面设计不合理

巷道在开口时应力集中破坏作用相对明显。初步设计中巷道为矩形断面，根据53031 巷开口观察发现，采用矩形断面时顶板在应力作用下出现断裂、破碎现象，局部出现冒落现象。

（2）爆破震动破坏严重

原施工设计中采用全断面一次性爆破施工的装药量大、爆破威力大，爆破时对巷道围岩及邻近巷道围岩产生震动破坏作用，不利于巷道安全维护及安全施工。

（3）巷道成型效果差

传统爆破施工主要是通过爆破作用使围岩破裂。在不稳定围岩巷道掘进时，爆破施工对巷道成型效果差，导致巷道超挖、欠挖现象严重，特别是造成巷道顶板不平现象，影响支护体支护效果。

（3）围岩稳定性差

由于53032 巷在开口时受原五盘区胶带机巷掘进应力影响，开口处围岩稳定性差，开口前10m 范围内巷道围岩易出现破碎现象，巷道开口掘进时采用传统的锚杆、锚索支护，支护强度低、支护滞后且支护体锚固失效等现象严重，不利于巷道开口掘进。

3 巷道开口施工方案优化

3.1 巷道断面优化

为了提高巷道断面承载能力，决定将原矩形断面改为半圆拱形断面。为了便于53032 巷在后期掘进时煤矸运输，巷道断面设计为宽度5.2m，高度4.2m，其中半圆拱高度为2.6m，基部高度为1.6m。

3.2 分层聚能爆破施工

为了降低全断面爆破施工时对巷道围岩产生震动破坏，提高巷道成型效果，决定采用分层预裂爆破施工工艺。

（1）首先按照巷道中腰线标出巷道轮廓线，然后在半圆拱顶板施工一排预裂爆破钻孔。钻孔深度为3.5m，直径为35mm，钻孔间距为0.5m。半圆拱轮廓共计施工15 个预裂爆破孔。

（2）预裂爆破钻孔施工完后对孔内安装D 型聚能管。聚能管主要由PVC 材料模具压成，长度为1.5m。在D 型管两侧各布置一排直径为8mm 圆孔，孔间距为0.3m，每个爆破孔内安装两根聚能管。

（3）聚能管安装后对管内填装矿用乳化炸药，采用分隔式装药方式，即每填装一支乳化炸药安装一段水炮泥，水炮泥长度为0.5m，共计装药三段，每个炮孔内安装三支同型号的毫秒延期电雷管。装药完成后对顶板进行预裂爆破，每次允许爆破孔数为1 个。

（4）待预裂爆破完成后，进行巷道分层爆破施工。分层爆破时先进行基部光面爆破施工，然后再对拱形部进行松动爆破施工。

3.3 支护设计

3.3.1 撞楔超前支护

（1）为了防止爆破施工时震动作用对顶板影响，在巷道预裂爆破后，分层爆破施工前，对巷道顶板轮廓位置施工一排撞楔超前支护。

（2）超前支护孔布置间距为0.5m，且与预裂爆破孔交错布置，支护孔深度为3.0m，钻孔直径为30mm，钻孔垂直工作面煤壁布置。

（3）超前支护孔施工完成后，对每个钻孔内安装一根长度为3.0m、直径为25mm 玻璃钢树脂锚杆，并对锚杆采用端头锚固。

3.3.2 优化原支护设计

巷道爆破施工完成后，为了提高拱形巷道全断面支护效果，决定对巷道顶板及帮部支护设计进行合理优化。

（1）优化后巷道顶板共计布置7 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆弧长间距为1.02m，排距为1.0m，同一排锚杆外露端安装两根长度为4.0m 钢带，钢带叠加布置。

（2）优化后顶板锚索长度增加为6.0m，每排布置3 根，锚索排距缩短为2.0m，间距弧长为2.04m。

（3）优化后巷帮布置两排单锚杆，锚杆间排距为1.0m，第一排锚杆施工在巷道基部与拱部交界处。如图2 所示。

3.3.3 钢棚砌碹支护

为了进一步提高巷道围岩稳定性，在巷道开口往里10m 范围内进行钢棚砌碹支护。

（1）钢棚采用U29 型钢棚，每架钢棚由两节棚腿、四节弧形顶梁、底座以及卡缆等部分组成。棚腿长度为1.6m，每节顶梁弧长为2.04m。

（2）钢棚架设高度为4.0m，钢棚架设间距为1.0m。钢棚架设完成确保钢棚与巷道围岩之间预留0.2m 间隙。

（3）钢棚架设完后在钢棚外围全断面铺设木板，木板长度为3.0m，宽度为0.3m，厚度为0.2m。 所有钢棚外围木板铺设完成后，对钢棚与围岩间隙处进行水泥砂浆充填。

图2 53032 巷开口处联合支护断面示意图

4 效果

（1）53032 巷采用分层聚能爆破开口施工工艺后，减少了一次性爆破装药量，避免了大威力爆破对巷道围岩产生震动破坏作用和超挖、欠挖等问题。

（2）采用聚能爆破施工时，可使巷道围岩按设计断面提前进行预裂，保证了巷道爆破施工时巷道成型率，减少了巷道轮廓以外岩体裂隙发育。

（3）采用联合支护措施后，大大提高了巷道围岩稳定性，解决了巷道开口时传统支护不足、支护强度低、支护失效严重等技术难题，保证了巷道安全快速掘进，防止巷道冒顶、片帮等现象。

（4）与53031 巷开口相比，巷道开口速率提高至5.3m/d，巷道成型率由原来的76%提高至94%，巷道掘进期间未发生顶板破碎、冒顶等现象。该施工工艺及支护技术得到一致认可，并进行推广应用。