趙建光

（晉能控股煤業(yè)集團 同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

同發(fā)東周窯礦是晉能控股集團旗下千萬噸礦井，地質(zhì)條件復雜，斷層、陷落柱、火成巖侵入、破碎帶頻繁出現(xiàn)，掘進巷道過構(gòu)造區(qū)和破碎帶常發(fā)生迎頭冒漏[1-3]，迎頭冒漏嚴重威脅作業(yè)人員安全，嚴重影響掘進工期和掘進速度，處理冒漏過程極具危險性，額外增加掘進費用投入，探索安全實用防治迎頭冒漏掘進技術(shù)的重要性日益凸顯。

礦井常用掘進方法和防治迎頭冒漏方法及弊端如下：

1）常用掘進方法及弊端。常用掘進方法為全斷面一次掘進法[4-6]，即巷道按設計全斷面高度和寬度一次性挖掘后永久支護。實踐表明，穩(wěn)定頂板條件下，此掘進方法法對堅持正規(guī)循環(huán)作業(yè)和提升進尺水平有利。在頂板破碎條件下，此掘進方法弊端是極易造成迎頭頂板冒漏。這是由于，巷道沿設計頂板線開挖后，位于設計頂板線上部的破碎巖體極易失穩(wěn)自然冒落，造成迎頭冒漏頂，冒落和處理冒漏頂過程十分危險，影響正常掘進，需投入人力物力，嚴重影響安全生產(chǎn)。

2）常用防治迎頭冒漏方法及弊端。常用防治迎頭冒漏方法是超前加固掘進迎頭破碎頂板，即在巷道掘進開挖前，在迎頭超前加固未掘進開挖區(qū)的破碎頂板巖層，使破碎頂板巖層提前加固，改變頂板存在條件和力學狀態(tài)，使開挖后頂板不大面積垮塌。主要方法有：超前錨桿（錨索）加固法、超前預注漿加固法[7-8]、超前預注高分子材料加固法[9-11]，這些方法可以防治迎頭冒漏。但這些方法的弊端是，它們都是前置于掘進開挖的獨立工序，需專用設備、材料，加固過程占用工時，在正規(guī)循環(huán)作業(yè)外又增加了工藝工序，增加了工作時間，增加了防治費用投入，嚴重影響進尺水平和掘進效率提升。

鑒于常用掘進方法和常用防治迎頭冒漏方法的弊端，礦井探索并形成了一種自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)，克服了常用掘進方法和常用防治迎頭冒漏方法弊端，安全高效地解決了掘進巷道過構(gòu)造區(qū)和破碎帶迎頭冒漏問題。

1 自然平衡拱托頂原理

在構(gòu)造區(qū)和破碎帶，巷道沿設計斷面掘進開挖后，設計頂板線上部的破碎巖體自然垮出冒高，形成了平衡穩(wěn)定的類似拱型結(jié)構(gòu)，即自然平衡拱[12-13]，自然平衡拱及其2 種屬性如圖1。

圖1 自然平衡拱及其 2 種屬性Fig.1 Natural balance arch and its two attributes

該拱結(jié)構(gòu)形成后至少有2 種屬性：第1 種屬性是拱體的穩(wěn)定承載性，拱體具有支撐能力，能承載上覆巖體，阻止上部巖體繼續(xù)冒高；第2 種屬性是拱內(nèi)的自行垮空性，拱內(nèi)部破碎巖體自然垮出，形成內(nèi)部空間。在巖體掘進施工控制領域，巖體按設計斷面掘進開挖后，設計頂板線上部的破碎巖體自然垮落形成平衡拱，由于造成頂板冒漏，第2 種屬性的效應往往被認為是負面的。但換一種思維，如果能充分利用以上2 種屬性，讓拱內(nèi)破碎巖體自然垮出后的空間變?yōu)橄锏罃嗝娴囊徊糠?，同時讓拱體穩(wěn)定支撐巷道設計頂板線上部巖體，即將自然平衡拱下移至巷道斷面內(nèi)設計頂板線下方，變負面有害效應為正面有利效應，既能利用第1 種屬性有效支撐巷道設計頂板線上部的破碎巖體，防止設計頂板線上部巖體冒漏，起到支護作用，又能利用第2 種屬性使部分斷面巖體自然垮出，代替部分斷面開挖，可取得事半功倍效果。而要實現(xiàn)這一切，僅需先對巷道斷面下部分開挖，讓斷面上部分自然垮落形成平衡拱即可。這就是自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)的基本原理，自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)原理圖如圖2。

圖2 自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)原理圖Fig.2 Principle drawing of quick driving technology to prevent broken head-on leakage by natural balance arch supporting roof method

2 自然平衡拱托頂法快捷掘進技術(shù)

2.1 設計與施工工藝

1）分部并確定分部高度。將巷道斷面分為上下2 部分，下部分為人工開挖部分，上部分為自行垮落和人工開取部分。上下2 部分高度確定的基本原則是：下部分開挖后，上部分自然垮落形成平衡拱后的拱頂位置位于或略高于巷道斷面設計頂板位置，可用以下2 種方法確定上部分的高度，用巷高減去上部分高度即為下部分高度。①理論計算法[14]：上部分的高度hu=B/2f（式中：B為巷寬；f為普氏系數(shù)）；②經(jīng)驗法：根據(jù)現(xiàn)場條件，上部分高度取1.5～2.5 m，一般圍巖破碎程度輕時取小值，破碎程度嚴重時取大值。

2）開挖和托頂。按照確定的下部分高度，人工開挖斷面下部分，上部分自行垮落形成穩(wěn)定自然平衡拱，拱頂大致位于或稍高于巷道斷面設計頂板線位置，形成了托拱，托住巷道頂板上部破碎巖體，避免上部巖體冒漏，自然平衡拱托頂法施工工藝設計圖如圖3。

圖3 自然平衡拱托頂法施工工藝設計圖Fig.3 Construction technology design drawing of natural balance arch supporting roof method

3）永久支護拱頂中部。先對拱頂中部永久支護，形成巷道永久頂板的一部分；之后采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對兩肩角斜向上側(cè)巖體進行第一次加固，以防止下一步擴刷肩角時局部垮塌，并作為巷道頂板支護一部分。

4）擴刷并支護拱頂兩肩角部。①對拱兩肩部第一次擴刷并及時永久支護：擴刷時，根據(jù)現(xiàn)場條件可用長柄工具捅、撬或刨，或用風鎬開，或用掘進機刨頭輕掃，盡量防止局部冒高，開夠1個支護位置立即支護，以減少懸頂和垮落；②采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對兩肩角斜向上側(cè)巖體進行第二次加固，以防止下一步擴刷肩角時局部垮塌，并作為巷道頂板支護一部分；③對拱兩肩部第二次分步擴刷并及時永久支護：擴刷時，根據(jù)現(xiàn)場條件可用長柄工具捅、撬或刨，或用風鎬開，或用掘進機刨頭輕掃，盡量防止局部冒高，開夠1 個支護位置立即支護，以減少懸頂和垮落；④采用局部打斜拉錨桿（或錨索）扇形布置方式對兩肩角斜向上側(cè)巖體進行第三次加固，以防止下一步擴刷肩角時局部垮塌，并作為巷道頂板支護一部分。

5）形成斷面。依次類推，完成所有頂部支護后，完成護幫支護，逐步形成斷面輪廓，完成斷面施工，開啟下1 個循環(huán)。托頂施工法形成斷面輪廓圖如圖4。

圖4 托頂施工法形成斷面輪廓圖Fig.4 Roadway profile drawing formed by supporting roof construction method

2.2 配套技術(shù)與輔助事項

1）為方便現(xiàn)場施工，在人工開挖掘進斷面下部分時，可由底板向上逐漸開挖，邊開挖掘邊觀察上部自然平衡拱頂位置。當拱頂達到或略超過巷道設計頂板線時下部分停止挖掘，以此停止挖掘位置作為上下2 部分分界線，即人工開挖部分和自行垮空部分的分界線，這種由底板向上邊挖掘邊觀察拱頂位置的施工方法更切合現(xiàn)場實際和方便施工，可不必套用經(jīng)驗數(shù)據(jù)或公式計算確定斷面下部人工開挖部分的高度。

2）開挖掘進方式可用機掘或爆破，堅持短掘短支，淺循環(huán)挖掘，機掘淺進刀，爆破嚴格控制藥量和茬進?，F(xiàn)場自然拱肩角部如不影響使用時，可留下不開角取肩，直接支護。

3）在現(xiàn)場施工形成自然平衡拱托頂后進行永久支護時，仍要做好臨時支護，嚴格敲幫問頂，嚴防頂幫零皮掉落傷人。

4）理論上斷面寬度越小，越易于控制迎頭冒漏。斷面寬度大時，可分成2 個或多個小寬度分斷面按以上方法順序施工，效果會更好。

5）迎頭冒漏是相對概念，破碎條件下，嚴格不超高是不可能的，只是大與小的問題。破碎條件巷道成型不是關(guān)鍵問題，滿足使用要求是前提，底線是不發(fā)生影響安全生產(chǎn)的大型冒漏，這是本法施工的一個原則。所以用本法施工時，出現(xiàn)迎頭局部超高應視作正常。

6）自然平衡拱只是理論概念，現(xiàn)場形成的自然平衡拱，不一定規(guī)則標準，但不妨礙使用此法的原理施工。

7）本技術(shù)更適于放頂煤采面進、回風巷和開切眼等矩形斷面巷道，支護方式應為錨桿錨索金屬網(wǎng)片等靈活的方式，預緊力錨固力要達到要求。預緊力錨固力達不到要求時，迎頭后方應補架棚加強支護。

3 創(chuàng)新與優(yōu)點

1）對自然平衡拱理論進行創(chuàng)造性應用和拓展，提出自然平衡拱2 種屬性—穩(wěn)定承載性和自行垮空性，并應用于破碎圍巖控制領域。破碎圍巖巷道掘進時，破碎巖體自然垮落形成平衡拱發(fā)生在巷道設計頂板線上方，造成頂板上方冒漏，其作用往往是負面的，其形成往往也是被迫和強加發(fā)生的。但任何事物都有兩面性。通過開挖斷面下部分巖體，在巷道設計頂板線下方（斷面上半部）主動創(chuàng)造自然平衡拱，運用拱體穩(wěn)定承載性支撐和托住了巷道設計頂板線上方破碎巖體，阻止了上覆巖體冒漏；運用拱內(nèi)自行垮空取代了對斷面上部分巖體的人工開挖。變被迫強加發(fā)生為主動積極創(chuàng)造，變消極負面作用為正面有利效應，極大拓展了自然平衡拱理論應用范圍，為自然平衡拱理論注入新內(nèi)涵。

2）提出自然平衡拱托頂施工法，形成包含分部施工、托頂施工、掘進與防治一體化施工等多種施工方法在內(nèi)的掘進巷道過破碎巖體安全快捷施工工藝，對特殊條件下井巷施工和圍巖控制有一定參考價值和啟發(fā)意義。

3）克服了常用掘進方法迎頭易冒漏的缺點，解決了常用防治迎頭冒漏方法工序多、時間長、成本高、效率低的問題，將掘進施工和防治迎頭冒漏這2 個過程合為一體，在掘進施工中防治，在防治中掘進施工，在防治迎頭冒漏的同時，提升掘進速度和工效，減少防治費用投入，實現(xiàn)了快捷掘進以及安全和效益雙贏。

4）提出自然平衡拱2 種屬性觀點，提出破碎條件下掘進施工與防治迎頭冒漏一體推進觀點，提出主動創(chuàng)造自然平衡拱、以拱體支撐頂板、以垮空代替開挖觀點，提出變自然平衡拱消極負面作用為積極有利效應觀點，提出變自然平衡拱被迫強加發(fā)生為主動積極創(chuàng)造觀點，以上觀點具有原創(chuàng)性，對破碎圍巖控制的理論和實踐具有一定的意義和價值。

4 工程實踐

同發(fā)東周窯礦井地質(zhì)條件十分復雜，構(gòu)造區(qū)和破碎帶頻繁出現(xiàn)，一段時期，掘進迎頭冒漏時常發(fā)生，嚴重影響安全和掘進工效，額外增加投入。近年來，利用自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)，迎頭冒漏大幅降低，掘進速度和工效明顯提升，處理冒漏費用日益減少，高效保障了安全生產(chǎn)。

5206 巷為綜采放頂煤面通風巷，沿煤底掘進，機掘工藝，矩型斷面，巷寬5 m，巷高3.8 m，頂煤厚8～9 m，正常條件頂板支護方式為鋼筋網(wǎng)錨桿鋼帶單點錨索。2020 年6 月20 日—2020 年6 月25 日，掘進在里程659～696 m 一段受節(jié)理裂隙發(fā)育和破碎帶影響，頂煤破碎難以留住，用自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)，消除和控制了迎頭冒漏，僅用6 d 時間就安全快速通過破碎區(qū)，比常用掘進方法和常用防治迎頭冒漏方法減少工時3 d，節(jié)約高分子材料加固費用約15 萬元。采用由底板逐漸向上邊挖掘邊觀察拱頂位置的挖掘工藝，當下部分高度開挖至距底板以上高2 m 時，上部分破碎煤體自然垮落，中部冒高1.8～2.0 m，形成不規(guī)則自然平衡拱，拱頂中部正好位于巷道設計頂板線位置。穩(wěn)定拱體形成后，敲幫問頂并臨時支護，之后對拱頂中部1 m 寬范圍進行永久支護，先用鋼筋網(wǎng)片掛單點錨桿支護，屈服強度500 MPa 高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格?22 mm×2 400 mm，450 mm×280 mm×3 mm短W 型鋼帶，150 mm×150 mm×10 mm 小鋼托盤，全長錨固[15-16]，排間距視現(xiàn)場條件以500～700 mm靈活布設，預緊扭矩400 N·m，設計錨固力190 kN；之后在頂中央打設1 組3 眼組合錨索支護，錨索規(guī)格?21.8 mm×8 300 mm，600 mm×600 mm×16 mm 鋼板托盤，預緊力290 kN，設計錨固力520 kN。完成中部永久文護后，在左右兩側(cè)傾斜向上55°～75°打設斜拉全長錨固錨桿對兩肩角上部斜拉加固，為擴刷肩角部做準備；之后，用掘機刨頭輕掃擴刷兩肩角部，每次擴刷寬不超1 m，以頂部不垮落為準；擴刷肩角部后完成第一次肩角部永久支護；重復以上斜拉加固支護、擴刷肩角部、永久支護工序，逐步形成巷道斷面輪廓。重復以上工藝直至通過破碎區(qū)。

5 結(jié) 語

1）自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)，克服了常用掘進方法迎頭易冒漏和常用防治迎頭冒漏方法工序多、時間長、成本高、效率低的弊端，改進常用掘進方法和常用防治迎頭冒漏方法掘進施工與防治迎頭冒漏分離的缺點，集掘進施工和防治迎頭冒漏于一體，在掘進施工中防治，在防治中掘進施工，既防治了迎頭冒漏，又提升了掘進速度和工效，減少了防治費用投入，實現(xiàn)了快捷掘進以及安全和效益雙贏，是被實踐證明了的高效解決破碎迎頭冒漏問題的一種行之有效的掘進技術(shù)。

2）自然平衡拱托頂法防治破碎迎頭冒漏快捷掘進技術(shù)，對自然平衡拱理論進行創(chuàng)造性應用和內(nèi)涵式拓展，提出自然平衡拱的2 種屬性—穩(wěn)定承載性和自行垮空性，并應用到破碎圍巖控制領域。提出分部施工、托頂施工、掘進與防治一體化施工等安全快捷施工工藝，提出掘進施工與防治迎頭冒漏一體推進觀點，提出分部開挖巖體主動創(chuàng)造和利用自然平衡拱觀點，提出用拱體托住上覆破碎巖體、用拱內(nèi)自行垮空取代人工開挖觀點，提出變自然平衡拱強迫發(fā)生為主動創(chuàng)造、變自然平衡拱負面作用為有利效應觀點，以上觀點和工藝，具有創(chuàng)新性，極大拓展了自然平衡拱理論應用范圍和內(nèi)涵，對破碎圍巖控制具有一定理論和實踐意義。