楊 建 強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司燕子山礦，山西 大同037000）

0 引 言

煤礦井下開(kāi)拓及生產(chǎn)過(guò)程種為滿足開(kāi)采、通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)纫?，不可避免的要在已有巷道下方進(jìn)行開(kāi)拓掘進(jìn)施工或回采作業(yè)[1]，由于上覆空巷的存在，給工作面的安全施工帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，當(dāng)工作面與上覆空巷的距離較近時(shí)，則工作面有可能發(fā)生冒頂、有害氣體下泄等事故[2]，而上覆巷道也會(huì)受到下方施工作業(yè)的影響，危害上覆巷道的安全，影響巷道的正常使用，當(dāng)井下硐室穿過(guò)上覆空巷時(shí)，由于硐室斷面較大，其與上覆空巷之間的相互影響更加不可忽視，為保證井下施工作業(yè)的安全，有必要對(duì)硐室過(guò)上覆空巷的掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究[3-4]。

1 工程概況

燕子山礦1035 東區(qū)材料暗斜井提升機(jī)硐室為拱形，現(xiàn)已掘進(jìn)到距提升機(jī)硐室開(kāi)口4.5m 處，在提升機(jī)硐室開(kāi)口處斜上方（西北向東南）上覆有一條309 盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷，與施工的小斷面層間距8.85m；另距離貫通點(diǎn)22m 處斜上方（西北向東南）有一條309 盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷，與施工的小斷面層間距為6m，提升機(jī)硐室斷面圖如圖1 所示。由于所掘巷道與上覆兩條空巷層間距較薄，為防止冒頂、有害氣體下泄安全隱患，應(yīng)采取專門的掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)措施。

圖1 提升機(jī)硐室剖面圖

2 基于自穩(wěn)隱形拱理論的硐室過(guò)上覆空巷礦壓控制理論

井下硐室開(kāi)挖后由于原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，將產(chǎn)生應(yīng)力重分布，圍巖發(fā)生變形和破壞。研究分析證明，圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，新奧法正是利用圍巖的這種自穩(wěn)能力來(lái)進(jìn)行掘進(jìn)及支護(hù)作業(yè)，從而大大減小了施工成本。自穩(wěn)隱形拱理論可以表述為：硐室圍巖的變形和破壞現(xiàn)象，不會(huì)無(wú)限制的發(fā)展下去，終必在一定的范圍內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)，從而不再進(jìn)一步發(fā)展。而在圍巖未達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)的過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)圍巖變形、甚至片幫、垮落等現(xiàn)象，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的目的并不是來(lái)抵抗原始地應(yīng)力，而是保證圍巖自穩(wěn)過(guò)程中的穩(wěn)定，可見(jiàn)在井下硐室及巷道支護(hù)中，應(yīng)利用自穩(wěn)隱形拱的基本理論，來(lái)對(duì)巷道的開(kāi)挖斷面及支護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而減小支護(hù)工作量，保證硐室及巷道圍巖的穩(wěn)定性。自穩(wěn)隱形拱理論將圍巖劃分為不同的區(qū)域，如圖2 所示。

圖2 圍巖自穩(wěn)隱形拱區(qū)劃圖

圍巖體開(kāi)挖后若及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，則圍巖可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)，若支護(hù)不及時(shí)或圍巖條件較差，則圍巖將發(fā)生持續(xù)的變形破壞，直至達(dá)到極限自穩(wěn)隱形拱。而極限自穩(wěn)隱形拱的高度和范圍對(duì)圍巖應(yīng)力有很大的影響，控制其高度可有效降低圍巖應(yīng)力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。圍巖極限自穩(wěn)隱形拱的范圍與硐室支護(hù)方式、施工方法和圍巖地應(yīng)力等狀態(tài)有關(guān)，因此硐室掘進(jìn)施工時(shí)，尤其對(duì)于過(guò)上覆空巷的硐室，應(yīng)從支護(hù)方式和施工方法等方面綜合考慮，減小硐室圍巖極限自穩(wěn)隱形拱的范圍，從而減小下伏硐室與上覆空巷之間的相互影響。

3 施工及支護(hù)技術(shù)措施

3.1 施工方法

基于自穩(wěn)隱形拱理論，掘進(jìn)施工方案為：掘進(jìn)至距提升機(jī)硐室4.5m 時(shí)，以3-3 拱形斷面 (寬3.2m×高3.3m）平掘①區(qū)域14.5m，再退后掘進(jìn)機(jī)擴(kuò)左幫②區(qū)域14.5m（擴(kuò)幫每前進(jìn)1.0m 跨度增加0.3m，巷高3.3m），然后以5-5 拱形斷面(寬4.74m×高4.02m)根據(jù)中腰線掘30.796m 與絞車房貫通，如圖3 所示。掘進(jìn)過(guò)程中的出渣方式如下：使用EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)組將截割下的巖渣→中心刮板機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→2 部膠帶機(jī)→頭部膠帶機(jī)→礦車?yán)?，人力把滿載的礦車推到巷口存車場(chǎng)，重車達(dá)到一定數(shù)量后由運(yùn)輸一區(qū)負(fù)責(zé)帶出井。

圖3 提升機(jī)硐室施工布置圖

3.2 支護(hù)方式

支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式，施工循環(huán)進(jìn)尺為0.8m；錨桿到工作面的最小控頂距離0.7m，最大控頂距離為1.5m；錨索到工作面的最小控頂距離0.7m，最大控頂距離為2.3m。上排護(hù)幫支護(hù)距工作面最大允許距離不大于3m，下排護(hù)幫支護(hù)距工作面最大允許距離不大于10m。

3.3 支護(hù)布置

1）錨網(wǎng)索支護(hù)布置。①3.2m（寬）×3.3m（高）拱形斷面（如圖4a）：頂幫錨桿支護(hù)布置9 排，分布在巷道中心線兩側(cè)，間距800mm，排距800mm，布置450mm 短鋼帶。拱頂中心線上布置1 排錨索，垂直拱頂，排距1600mm，錨索長(zhǎng)度6.3m。②擴(kuò)幫錨桿按間排距800mm 布置，錨索按間排距1600mm 布置，長(zhǎng)度6.3m。③4.74m（寬）×4.02m（高）拱形斷面（如圖4b）：頂幫錨桿支護(hù)布置13 排，間距800mm，排距800mm，各布置450mm 短鋼帶。頂板布置2 排錨索，間排距1600mm，錨索長(zhǎng)度6.3m。

圖4 硐室巷道支護(hù)斷面圖

2）錨網(wǎng)索支護(hù)材料規(guī)格。①頂、幫錨桿規(guī)格：φ20mm×2400mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；150mm（長(zhǎng)）×150mm（寬）×10mm（厚），中心孔直徑φ25mm 的高強(qiáng)度拱形鐵托板；規(guī)格為φ23mm×600mm 的MSCKa-23/60 型樹(shù)脂錨固劑；450mm（長(zhǎng)）×220mm（寬）×3mm（厚）W 型鋼帶；每根錨桿使用1 卷樹(shù)脂藥。②錨索支護(hù)材料及規(guī)格：礦用低松馳鋼絞線，長(zhǎng)度為6.3m，直徑為φ17.8mm；中心孔φ22mm，250mm（長(zhǎng)）×250mm（寬）×16mm（厚）的 墊 片； 規(guī) 格 為 φ23mm ×600mm 的 超 快MSCKa-23/60 型樹(shù)脂錨固劑、中速M(fèi)SZ-23/60 型樹(shù)脂錨固劑；KM18-1860 錨索鎖具；每根錨索使用一根超快一根中速2 卷樹(shù)脂藥，按先快后中依次推入孔中。③金屬網(wǎng)：由8#鉛絲編制而成，頂板網(wǎng)規(guī)格7000mm（長(zhǎng)）×1200mm（寬），護(hù)幫網(wǎng)規(guī)格3400mm（長(zhǎng)）×1700mm（寬）。

3）鋼梁布置。提升機(jī)硐室兩端口鎖口鋼梁布置：左、右端口分別按間距1.0m 垂直巷道布置3 根3 孔3m 長(zhǎng)鋼梁，孔距1.3m、3 根3 孔4.2m 長(zhǎng)鋼梁，孔距1.8m。

3.4 安全技術(shù)措施

在提升機(jī)硐室巷道施工時(shí)應(yīng)遵循以下安全技術(shù)措施：在掘進(jìn)前必須探明與上覆空巷的層間距；打錨索支護(hù)鉆孔時(shí)如與上覆空巷穿空，必須立即停鉆撤人，巷口設(shè)置攔人警戒，并匯報(bào)值班室。施工過(guò)程中嚴(yán)格按照中腰線掘進(jìn)，坡度不能超過(guò)8?，使機(jī)組容易進(jìn)退；必須保證巷道成型，規(guī)格質(zhì)量；打錨桿、錨索時(shí)要按規(guī)定的排間距布置，保證角度、眼深、樹(shù)脂藥量、攪拌時(shí)間達(dá)到要求；風(fēng)筒不到位必須停止生產(chǎn)，只有接到位后方可繼續(xù)生產(chǎn)，任何人不準(zhǔn)私自拆開(kāi)或損壞風(fēng)筒；眼內(nèi)有甲烷涌出，有異常聲響時(shí)、甲烷超限時(shí)，要立即停止打眼進(jìn)行處理；損壞的托板要及時(shí)更換，錨桿損壞或不合格時(shí)要及時(shí)在其附近補(bǔ)打，作業(yè)人員要在超前支護(hù)的掩護(hù)下作業(yè)；巷道因炸幫等原因超寬時(shí)，夠一個(gè)支護(hù)間距必須及時(shí)補(bǔ)上此處的支護(hù)；移風(fēng)鉆或放下風(fēng)鉆架時(shí)必須將鉆扶好，防止跌倒傷人。同時(shí)注意頂板情況，防止零皮傷人；人工抬運(yùn)鋼梁時(shí)，要保持2m 的安全距離，要前后照應(yīng)，協(xié)調(diào)一致，全力抬運(yùn)，同起同放，確保人員安全。如果人員被困，應(yīng)選擇高處等待救援并且切斷工作面電源。

4 施工及支護(hù)效果評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步了解所采用的施工技術(shù)及支護(hù)方法的合理性，在提升機(jī)硐室中設(shè)置位移管觀測(cè)站，主要觀測(cè)參數(shù)有：頂板位移、頂板離層量和兩幫位移。安排觀測(cè)員每掘進(jìn)5m，對(duì)觀測(cè)參數(shù)進(jìn)行一次記錄和分析，判斷有無(wú)異常情況，并對(duì)圍巖位移量進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證施工的安全，觀測(cè)參數(shù)隨掘進(jìn)工作面的推薦距離不斷變化，如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，采取了分段分區(qū)掘進(jìn)施工方案和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式后，過(guò)上覆空巷的硐室圍巖變形得到有效控制，頂板最大位移量、兩幫最大位移量、頂板離層量最大值分別為58mm、46mm和18mm，且提升機(jī)硐室的各位移量，在巷道推進(jìn)至20m 左右時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖5 硐室圍巖位移量

5 結(jié) 論

1）為保證燕子山礦1035 東區(qū)材料暗斜井提升機(jī)硐室安全過(guò)上覆空巷，基于自穩(wěn)隱形拱理論，提出了從施工方法及支護(hù)技術(shù)兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）綜合分析后，掘進(jìn)施工方法采用分區(qū)分段施工，支護(hù)技術(shù)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，在提升機(jī)硐室中設(shè)置位移管觀測(cè)，對(duì)施工及支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，所采用的施工和支護(hù)技術(shù)有效控制了硐室圍巖位移量。