采空区下大断面切巷掘进支护工艺优化

张安慎

（山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

山西煤炭运销集团泰安煤业有限公司12103工作面位于一采区中部，上方为11#煤层11103 工作面采空区，东部为12102 工作面（正在回采），西部为12104 工作面（待掘），南部为井田边界，北部为采区三条大巷。12103 工作面两顺槽与其上方11103 工作面两顺槽“内错”布置，运输顺槽内错10 m，回风顺槽内错5 m；12103 开切眼在12#煤层内分两段布置，一段位于11#煤层煤柱下方，二段位于11#煤层11103 工作面采空区下方，见图1。

图1 12103 工作面平面布置

12103工作面二切巷设计长度为80 m，巷道设计为矩形断面规格，断面规格为宽×高=6.5 m×2.7 m，巷道沿12#煤层顶板掘进，煤层平均厚度为2.3 m，施工巷道破底深度为0.4 m；12103 工作面二切巷与上覆11103 采空区层间距为11 m，层间岩体从下往上依次为炭质泥岩 （2.7 m）、砂质泥岩（3.5 m）、砂岩（4.8 m），见图2。

图2 12103 工作面空间位置剖面

2 二切巷掘进支护工艺及问题分析

2.1 巷道掘进支护工艺

（1）12103 工作面二切巷主要采用分段爆破掘进施工工艺，先采用光面爆破施工工艺掘进煤柱帮，掘进宽度为3.5 m，掘进到位后再采用松动爆破施工工艺进行扩帮施工，扩帮宽度为3.0 m，巷道已掘进14 m。

（2）原支护设计中二切巷主要采用锚杆、钢带、金属网（14#铁丝编制）、单锚索联合支护，顶板每排布置7 根锚杆，锚杆长度为2.0 m，直径为20 mm；锚杆间排距为1.0 m；每排施工两根W型钢带，钢带长度为3.5 m，钢带上焊制4 个锚杆支护孔；顶板每排布置4 根单锚索，锚索间距为1.6 m，排距为3.0 m，锚索长度为6.3 m，直径为17.8 mm。

2.2 问题分析

（1）应力破坏严重。12103 工作面二切巷上覆为11103 工作面采空区，12#煤层与其上方11#煤层层间距为11 m，层间岩体平均单轴抗压强度不足30 MPa，受采空区残余应力影响，二切巷顶板岩体裂隙发育，破坏了切巷顶板悬臂梁，导致切巷顶板出现失稳现象，主要表现为顶板断裂、破碎、下沉等。

（2）围岩承载能力差。12103 工作面二切巷原巷道断面为矩形断面，当顶板破碎承载能力降低时，在应力传递作用下巷道两帮肩角煤柱剪切破坏严重，巷道肩角煤柱预留难度大，加大了肩角煤柱支护难度及支护成本费用，降低了巷道成型率。

（3）支护质量差。二切巷直接顶为炭质泥岩，通过对顶板施工深度为3.8 m 窥视钻孔观察发现，顶板往上0～2.0 m 范围内内为严重破碎区，在2.0～2.8 m 范围内为下沉裂隙区，在2.8～3.8 m 范围内岩体相对稳定区，见图3。而原顶板支护设计中顶板锚杆长度为2.5 m，锚杆锚固端位于岩体下沉裂隙区内，锚杆锚固效果差，很容易出现锚固失效现象，降低了锚杆支护质量。

图3 12103 工作面二切巷顶板岩性窥视

3 大断面切巷掘进支护技术

3.1 巷道断面规格优化

（1）为了确保巷道围岩能够适应顶板高应力持续冲击破坏作用，降低巷道肩角煤柱垮落、破碎现象，决定对巷道断面规格进行合理优化。优化后巷道断面成梯形，巷道上宽6.5 m，下宽6.9 m，巷道两帮与底板夹角为12°。

（2）巷道采用机械化分段施工工艺，大断面规格为直角梯形，上宽4.0 m，下宽4.2 m，大断面采用掘进机一次性成巷； 小断面同样为直角梯形，上宽2.5 m，下宽2.7 m，采用松动爆破施工工艺，巷道掘进长度为66 m。

3.2 巷道支护工艺优化

（1）顶板注浆锚杆施工

为了对顶板裂隙岩体进行粘结封堵，加强顶板锚杆支护质量，决定对原顶板锚杆进行优化，采用注浆锚杆+JW型钢带支护。

①大断面处巷道顶板施工一根长度为4.0 m，宽度为0.28 m“JW”型钢带，每根钢带上焊制5 个支护孔，孔间距为0.9 m；扩帮处顶板施工一根长度为2.5 m“JW”型钢带，钢带上焊制3 个支护孔，孔间距为0.9 m，施工时两根钢带叠加布置，钢带排距为1.2 m。

②优化后将原顶板普通锚杆替换为注浆锚杆。注浆锚杆长度为3.5 m，直径为25 mm，注浆锚杆主要由高强度钢制材料制成，锚杆为中空状，中部圆孔直径为12 mm，在注浆锚杆底部往上0.9～1.9 m范围内锚杆外侧均匀焊制4 排圆孔，每排三个，孔径为8 mm，外部圆孔与杆体内部圆孔联通。

③每根注浆锚杆采用三支锚固剂锚固，一支MSKC23/35 超快速型，两支MSK23/60 快速型。注浆锚杆安装后对每排第二根、第四根、第六根锚杆进行注浆施工，注浆液采用聚氨酯化学粘合剂，注浆压力为1.2 MPa。

（2）梯形棚施工

为了进一步加固巷道围岩稳定性，提高大断面二切巷顶板整体稳定性，二切巷掘进到位后且顶板支护施工完后，在巷道内架设一排梯形棚。

①二切巷安装的梯形棚主要由11#工字钢焊制而成，顶梁长度为6.2 m，两根棚腿长度为3.2 m，在顶梁两端各切割一个长为0.3 m，宽度为0.08 m方孔，在棚腿顶端焊制一根卡扣并与顶梁方孔活动连接。

②梯形钢棚安装间距为1.2 m，钢棚安装后在钢棚与顶板、巷帮处采用厚度不小于50 mm、宽度不小于150 mm，长度为1.5 m 水泥背板进行背牢；为了防止倒棚事故发生，梯形棚安装后在相邻两架钢顶梁之间采用三根钢筋拉杆进行连接，见图4。

图4 12103 工作面二切巷优化后支护平剖面

4 结语

截止2020年3月12103 工作面二切巷已掘进到位，对二切巷掘进支护进行优化后，巷道在后期掘进过程中未出现顶板破碎、断裂现象，顶板最大下沉量控制在120 mm 以下，两帮肩角煤柱未出现垮落现象，成效显著。

1）与传统矩形断面相比，梯形断面巷道在高应力作用下，两帮煤柱对顶板产生一个斜向上的支撑作用力，该作用力可分为垂直向上和水平方向的两个分力Fy、Fx，Fy分力可削弱顶板垂直应力破坏作用，而Fx分力对顶板起到挤压作用，控制了顶板破碎、裂隙发育现象。

2）对巷道顶板采用注浆锚杆后，解决了传统锚杆长度不足、锚固效果差等技术难题，注浆锚杆不仅实现了全长锚固效果；而且在锚固过程中通过注浆施工对钻孔壁裂隙进行充分填充粘结，既提高了锚杆支护效果，又提高了顶板破碎岩体整体稳定性。

3）通过对二切巷顶板施工梯形钢棚后，进一步提高大断面巷道顶板承载梁稳定性，防止了顶板在应力作用下出现断裂现象，控制了顶板离层、下沉量，保证了巷道成型及稳定性。