采空区下巷道掘进支护设计应用

田王健

（晋能控股山西科学技术研究院科学技术研究有限公司，山西 太原 030006）

1 9203进风顺槽及巷道掘进概况

晋能控股煤业集团旧街煤业公司9203进风顺槽位于井田中部，巷道东部为9102工作面及9104工作面（已采），西部为9202工作面（已采），南部为西区回风、轨道、运输大巷，北部为矿界。

9203进风顺槽设计长度为568 m，进风顺槽（西区轨道巷）开口至298 m上部为8号煤实体区，299～568 m上部为已封闭的8号煤层8201、8202工作面采空区；进风顺槽与上覆采空区平均间距为4.5 m，巷道沿9号煤层底板进行掘进。9号煤层上距8号煤层平均4.69 m，局部（主井附近）与8号煤层合并；煤厚1.71～3.30 m，平均2.77 m，结构简单，含0～2层夹矸；顶板岩性为粉砂岩-泥岩，底板为泥岩-细砂岩，如图1所示。

图1 9号煤层顶底板岩性柱状图

9203进风顺槽前298 m巷道为矩形断面，规格为宽×高=4.2 m×3.2 m，在前290 m掘进时巷道围岩主要采用锚杆（索）联合支护[1]，当巷道掘进至295 m

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2021.11.009处时，由于受上覆采空区影响，巷道围岩出现破碎现象，严重威胁着巷道安全、快速掘进。

2 采空区下巷道掘进难题

2.1 围岩稳定性差

9203进风顺槽掘进煤层为9号煤层，稳定性差，煤层直接顶以泥岩为主，岩体单轴抗压强度不足20 MPa，岩体承载能力低，而且9号煤层与8号煤层采空区间距小，巷道掘进至295 m处时进入采空区影响区，围岩破坏严重，出现破碎现象。

2.2 集中应力影响

由于巷道掘进至295 m后进入上覆8号煤层采空区，巷道掘进时受采空区残余应力及巷道掘进应力影响，巷道顶板出现断裂、破碎现象，且在顶板围岩中形成松动圈[2]。随着巷道不断延伸，围岩松动圈范围不断扩大，破坏了顶板梁效应结构，降低了顶板承载能力。

2.3 支护难度大

巷道初步设计中巷道顶板主要采用锚杆（索）联合支护，而锚杆（索）主要利用锚固剂锚固及托盘预应作用，实现锚杆（索）在围岩中悬吊、组合梁（拱）作用，但是在采空区巷道掘进时由于顶板破碎严重，形成围岩松动圈，致使锚杆（索）支护效果差，出现锚固失效现象，无法对不稳定围岩起到有效的控制作用[3]。

3 巷道断面掘进工艺优化

1）为了提高采空区巷道两帮支撑作用力，巷道掘进至295 m后对原巷道断面进行优化，采用梯形断面，掘进上宽4.0 m、下宽4.6 m，掘进高度3.2 m；为了控制掘进量，巷道进入采空区下方后采用分层爆破施工，上断面采用松动爆破施工工艺，下断面采用一次性光面爆破施工工艺。

2）上断面规格为上宽4.0 m、下宽4.2 m，高度1.2 m；下断面规格为上宽4.2 m、下宽4.6 m，高度2.0 m；爆破施工时先对下断面进行一次性光面爆破，然后对上断面进行松动爆破。

3）下断面共计施工24个爆破孔，其中掏槽孔4个、辅助孔8个、周边孔12个，掏槽孔深度为1.5 m、单孔装药量为0.9 kg，周边孔及辅助孔深度为1.3 m、单孔装药量为0.6 kg，采用毫秒延期电雷管引爆，爆破后及时清理工作面煤矸。

4）上断面共计布置两排支护松动爆破孔，第一排布置6个，第二排布置7个，钻孔间距为0.65 m，相邻两排钻孔间距为0.8 m；松动爆破孔深度为1.0 m，每个钻孔装药量为0.6 kg，爆破时每次允许爆破数量为5个。上断面松动爆破施工后，及时对顶板进行支护。

4 采空区巷道顶板联合支护设计

4.1 锚索（网）支护

采空区巷道顶板主要采用“锚索+网+钢筋钢带”联合支护[4]，具体如下：

4.1.1 顶板锚索

顶板每排布置5根锚索，采用7芯钢绞线，锚索长度为4.0 m、直径为21.6 mm，锚索间距为0.9 m，排距为1.0 m，每根锚索采用一支MSCKa23/120锚固剂，锚索张拉力不低于250 kN。

4.1.2 钢筋钢带

钢带长度为3.8 m，钢筋钢带采用直径为18 mm钢筋焊接而成，呈梯子状，钢带宽度为0.3 m，在同一排锚索外露端安装一根钢筋钢带，锚索外露端安装一个长度及宽度均为0.3 m的托盘并采用锁具进行预紧。

4.1.3 钢筋网

顶板采用由直径为5 mm钢筋焊制而成的钢筋网，钢筋网长度为2.5 m、宽度为1.2 m，每个支护断面安装两片钢筋网，相邻两片钢筋网搭接宽度不少于0.2 m，并采用14号铅丝连接。

4.2 梯形棚支护

1）9203进风顺槽采空区影响区安装的梯形棚主要由顶梁、棚腿、撑杆、卡缆固定杆等组成，其中顶梁长度为4.0 m，由12号工字钢梁制成；棚腿长度为3.5 m，由11号工字钢梁制成，在棚腿中部焊制一个直径为30 mm的圆孔。

2）在顶梁及棚腿两端各焊制一个钢板，钢板上均匀布置两个圆孔，撑杆长为1.2 m，在进行棚腿安装时保证棚腿支撑角与两帮斜角相同。

3）首先安装两根棚腿，棚腿安装时与巷帮接触严实，采用一根长度为1.0 m锚杆将棚腿与巷帮进行固定，如图2所示。棚腿安装后将顶梁与棚腿对接并采用卡缆进行固定。当巷道围岩出现破碎，架棚后顶梁与巷帮无法接触严实时，采用水泥背板或道木进行填充。

图2 9203进风顺槽梯形棚支护断面示意图（单位：mm）

4）梯形棚安装间距为1.2 m，钢棚安装后在相邻两架钢棚的棚腿之间采用撑杆连接，如遇顶板破碎、完整性较差时，采用缩小支护排距、加支对棚进行加强支护或在9号煤层顶板下提前打钢钎、管缝锚杆进行超前维护顶板。若上述两种办法仍无法有效控制顶板时，可进行注胶加固煤（岩）体[5]。

5 应用效果

截至2021年2月17日，9203进风顺槽已掘进到位，通过对巷道过上覆采空区期间掘进断面、掘进工艺进行优化，以及采取联合支护技术后，巷道在过采空区应力区时巷道掘进速度大大提高，且巷道围岩变形现象得到有效控制。通过现场监测发现，巷道采取联合支护后降低了顶板破碎及下沉现象，顶板下沉量控制在0.12 m以下，两帮未出现片帮现象，两帮收缩量控制在0.23 m以下，取得了显著应用成效。