上覆村庄巷道掘进及支护技术应用研究

武传伟

（兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272000）

0 引言

我国煤炭资源分布广泛，村庄建筑物下方压煤的情况也较为普遍，据相关数据统计，全国村庄压煤量高达52.21亿t[1-2]。从地域上看，中、东部地区由于人口密度较大，村庄压煤现象最为严重。煤炭的开采可诱发地表沉降，对村庄建筑物、道路、农田等设施造成破坏，影响村庄的生态环境和人民的生活质量[3-4]。合理有效的设计巷道掘进及支护方法，可改善地表沉降问题，保护村庄建筑物的安全[5]。因此，研究上覆村庄巷道掘进及支护技术具有极为重要的工程价值。

1 工程概况

济宁三号煤矿矿井内二采区23上03工作面位于采区西北部，为二采区3上煤层的首采工作面该工作面西侧有FB22断层。23上03辅助巷道主要服务于本工作面开采期间的运输、通风、行人等，辅助巷道地表为李二庄，李二庄人口、建筑物密集。基于以上原因，本文针对23上03辅助巷道掘进及施工技术进行研究，以期避免23上03辅助巷道掘进施工引起较大地面沉降，保护上覆村庄建筑物及生态环境，此外，还对掘进期间的冲击地压监测和防治技术进行了设计。

2 掘进技术及工艺

2.1 巷道断面设计

巷道断面形状及尺寸是影响地表沉降量的重要参数，若断面尺寸过大，则地表沉降量也随之增大，影响地表建筑物的安全。若断面尺寸过小，则不能满足巷道所担负的运输、通风、供水、供电等任务，因此，需根据实际地质情况对巷道的断面形状和尺寸进行合理的设计，在保证巷道服务能力的同时，尽可能的减小巷道开挖所引起的沉降。基于以上原则，本文设计的23上03辅助巷道的断面参数设计见表1。

表1 巷道断面参数表

2.2 巷道掘进截割工艺

鉴于23上03辅助巷道顶底板岩性较好，且断面尺寸设计不大，为提高掘进速度，设计采用综合掘进机截割“一次成巷，分次截割”的掘进工艺。巷道掘进的施工顺序为：首先开挖23上03第一切眼导硐，待导硐施作完成后，掘进机向右侧旋转90°，进行辅助巷道的开门施工。开门施工17 m左右时，拆除刮板输送机，形成“综掘机+皮带出煤机”的掘进系统，掘进期间巷道的设备布置如图1（a）所示。掘进机截割方式如图1（b）所示，巷道断面分两次截割，首先在截割前标定出巷道轮廓线，并对上个截割循环的尺寸和平整度进行检查。确认无误后，开始截割本循环，掘进机进刀位置位于巷道左下部，沿着标定的截割线按逆时针方向先截割出巷道左侧断面。其后，采用同样的方式由下至上、由左至右截割出巷道右侧断面。需要注意的是，截割过程中需尽量保证巷道断面的平整度，避免出现过割的现象。本文设计的在23上03辅助巷道采用“一次成巷，分次截割”的掘进工艺，一方面保证了巷道的掘进效率，另一方面又可控制巷道围岩变形量及地面沉降量，保证了作业安全，具有较好的经济效益。

图1 掘进工作面截割顺序及设备布置

3 支护参数设计及效果评价

3.1 临时支护设计

迎头截割完成后，需对23上03辅助巷道顶板及两帮进行临时支护，为保证临时支护效果，控制围岩初期位移，为作业人员提供安全的工作空间，设计采用ZLJ-10型机载式前探梁进行临时支护。机载式前探梁共包含支护结构、伸缩架、回转架和护顶梁四部分。临时支护的工序流程如图2所示，当掘进机截割完成后，将其退回至合适位置，使用专用测量工具检查掘进头有无伞檐现象，同时进行敲帮问顶，对较为松散的危岩进行处理。其后，进行第一片菱形网的绑扎和联网，联网结束后升起机载式前探梁，升起过程中，需一人操作，一人监护，确保顶梁居于巷道中部。顶板临时支护操作完成后，采用同样的方法对巷道进行敲帮问顶，去除危岩，在帮部安装第二片菱形网，并采用帮部插杆将帮部菱形网与顶部菱形网联结。

图2 临时支护流程图

3.2 永久支护设计

如上文所述，由于23上03辅助巷道位于村庄下方，为控制该段巷道的围岩位移量，保证村庄的地面沉降量在可控范围内。设计在23上03辅助巷道采用锚网（索）带联合支护的永久支护方式，支护示意图如图3所示。具体支护参数如下：

图3 23上03辅助巷道永久支护示意图

顶板采用φ22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，设计锚固力不小于160 kN，预紧力矩不小于300 N·m，间排拒800 mm×900 mm。顶板锚索采用φ22 mm×4 500 mm的矿用锚索，锚索锚固力不小于240 kN，布置在2排钢带的中部。两帮采用φ20 mm×1 250 mm的全螺纹钢锚杆，设计锚固力不小于130 kN，预紧力矩不小于260 N·m，间排拒1 200 mm×900 mm。锚杆、锚索托盘均采用碟形高强度托盘，每根锚杆（索）采用2卷CKb2370型树脂锚固剂进行锚固。顶部采用孔间距为800 mm的T型钢带，钢带长度4 870 mm，金属网采用菱形规格，由8号镀锌铁丝编制而成。

3.3 掘进及支护效果评价

为评价23上03辅助巷道的掘进和支护效果，掌握地表移动变形规律，在巷道上方地表每隔80 m设置1个地表位移观测站，共设置3个观测站，对地表变形量进行采集记录。观测方法为工作面推进10 m后便开始日常测量，确定地表变形程度，若发现地表变形速度较快，应增加观测次数。观测结果如图4所示。

图4 地表位移沉降结果

由图4可知，随着掘进工作面的推进地表沉降量逐渐增加，当工作面推进100 m后，地表沉降量逐渐趋于稳定。观测站1的最大沉降量约为26 mm，观测站2的最大沉降量约为27.5 mm，观测站3的最大沉降量约为28 mm。3个观测站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范围内。可见，在23上03辅助巷道采用的“一次成巷，分次截割”及“机载式前探梁临时支护结合锚网（索）带永久支护”的掘进和支护工艺，可有效控制围岩及地表位移量，减小井下开采对地表的影响，保护地表村庄建筑物及生态环境不受开采破坏。

4 冲击地压防治

4.1 冲击地压监测方案

23上03辅助巷道掘进期间，所受地应力较大，因此，本文设计采用区域性微震监测与局部监测相结合的方法进行冲击地压危险性的监测和分析。微震监测系统主要对震动事件进行监测,监测范围为巷道迎头半径200 m内，当监测到有能量达到或接近10 000 J的震动时间时，说明工作面具有冲击危险。微震监测系统，共布置4个拾震器，拾震器分布情况如表2所示：

表2 23上03辅助巷道拾震器分布情况表

局部监测方法包括钻屑法监测和应力在线监测，钻屑法监测是通过计量钻孔每钻进1 m所产生的钻屑量，来分析发生冲击地压的危险性。钻屑法监测采用MQTB～70/1.7风动支腿式帮锚杆钻机施工，配合φ38 mm×1 500 mm组合钻杆，钻孔φ42 mm，钻孔深度为10 m。弱冲击危险区域每掘进20～30 m监测1次，无冲击危险区每掘进30～50 m监测1次。当掘进期间煤爆异常、矿压显现明显时,应缩小检测距离，加大检测频次。钻屑法测孔布置在巷道迎头及两帮，一次施工3个钻屑孔，迎头及两帮各布置1个钻屑孔，孔间距≤20 m。迎头钻孔布置在中部，钻屑孔距底板0.5～1.5 m，垂直煤壁施工(避免钻入岩石)。钻屑孔施工期间见岩石时即可停止钻进，但必须在临近该检测孔周围0.5 m范围内施工验证孔进行进一步确认，验证后在钻孔附近吊挂验证孔牌板，并注明验证孔深度。

采用应力在线监测系统对冲击危险区域迎头后200 m范围内煤体应力变化情况进行监测。应力监测钻孔应力计布置在23上03辅助巷道东帮，1组2个，间距1～1.5 m，深度分别为6 m（北）、10 m（南），距煤层底板0.5～1.5 m，施工钻孔时如遇岩石则停止钻进，钻孔深度～6 m时安装应力计。每组应力计间隔不大于25 m，滞后迎头距离≤25 m。应力在线监测系统钻孔采用MQTB-70/1.7风动支腿式帮锚杆钻机施工，配合φ42 mm钻头、φ38 mm×1 500 mm组合钻杆施工。钻孔应力计的压力枕由包裹体焊接而成的，压力枕必须平行于底板，安装应力计必须使用专用安装杆，采显一体仪安装与电缆接通工作应由防冲专业人员完成，注油压力≥5 MPa。监测系统电缆敷设在人行侧帮部，每次挪移探头时，应力在线分站固定在卸料台内侧随机尾前移，应力在线监测系统预警指标见表3。

表3 23上03辅助巷道应力在线预警临界值指标表

当应力在线监测系统的颜色指示全为绿色时，说明所有测点应力大小均小于预警值，无冲击地压危险；当有一组黄色监测警示时，需结合应力增幅进行判断，若应力增幅3天内无明显增加，且钻屑法检测正常，可判定无冲击危险。当有一组黄色监测警示，且应力增幅明显，则具有冲击地压危险。同时，出现两组黄色监测警示或一组红色警示也说明具有冲击地压危险，需立即停产，撤离工作人员，直至冲击危险消除，方可恢复生产

4.2 防治措施

根据23上03辅助巷道的实际地质情况，设计采用大直径钻孔卸压和底煤卸压2种方法来预防冲击地压危害。

1）大直径钻孔卸压方法。可在不受冲击威胁的区域施钻卸压孔，顶部卸压钻孔直径110 mm，距巷道底板约1.0～1.5 m，孔深15 m，巷道每掘进7 m，进行下一轮钻孔。帮部卸压钻孔间距6 m，孔径110 mm，钻孔距巷道底板约1.0～1.5 m，孔深不小于8 m（如钻孔施工至断层岩石,则停止施工）。

2）底煤卸压。底煤卸压方法主要包括：①根据地质预报及时调整掘进层位，尽量沿顶板掘进，不留底煤；②根据巷道剖面图，在断层附近或穿层区域对底煤区域进行探煤厚工作，确定煤厚超过1 m的留底煤区域，探煤厚钻孔间距3 m，双排布置，钻孔施工在巷道人行侧底板距帮1～1.5 m处，垂直向下，每个探煤孔探煤厚度必须由专人记录；③根据探煤厚结果，当留底煤厚度大于1 m时，必须进行底煤卸压爆破处理，爆破钻孔施工位置在两帮底角处，斜向下30°钻孔，孔间距为3 m，钻孔施工至岩石即停止，钻孔滞后迎头不超过50 m。

卸压措施施工后，应当采用以钻屑法检测为主，并配合微震监测、应力在线监测等方法进行综合对比来检验卸压效果，经效果检验，综合判定无冲击危险时，掘进工作面可继续作业。

5 结论

1）基于23上03辅助巷道上覆村庄的工程背景，对辅助巷道断面形状及尺寸进行设计，并提出采用“一次成巷，分次截割”的掘进工艺，既提高了巷道的掘进效率，又可控制巷道围岩变形量及地面沉降量。

2）提出在23上03辅助巷道采用“ZLJ-10型机载式前探梁临时支护结合锚网（索）带永久支护”的支护方案，并阐述了临时支护工艺流程和永久支护参数；在地表共设置3个观测站，来评价辅助巷道的掘进和支护效果，并掌握地表移动变形规律，观测结果表明，巷道掘进期间3个观测站的最大地表沉降量均小于30 mm，地表下沉量在可控范围内。

3）设计采用区域性微震监测与局部监测相结合的方法，进行23上03辅助巷道冲击矿压危险性的监测和分析，给出了对监测方案和监测参数，并提出采用大直径钻孔卸压和底煤卸压2种方法来预防冲击地压危害。