杜志远，陈 冰

(河南永锦能源有限公司 云盖山煤矿一矿，河南 禹州 461670)

随着矿井开拓水平的逐步延深，深部巷道压力越来越大，给支护与开采带来了很大的困难.回采巷道掘进完成后，尤其是巷道处于厚煤层中，在工作面回采前巷道变形最严重，必须重新扩修，造成生产成本增加，并给安全生产带来危害.如何解决厚煤层扩巷施工方面的问题，针对存在的问题，通过对综采工作面超前扩巷施工技术的研究，采用分层作业以及顶板打注浆锚杆、锚索，帮部打设锚索梁的方式，成功解决了在厚煤层扩巷施工的难题，也为地质条件类似的矿井在厚煤层综采工作面超前扩巷施工技术方面提供了参考。

1 概况

(1)地质情况。河南省某矿主要开采二1煤层，因该区域煤层的性质属于顶板硬，煤层及煤层底板软，称为“两软一硬”煤层。目前矿井正在生产的为204采煤工作面，通过地质资料分析和掘进过程中揭露地质情况显示，该工作面回采范围内二1煤赋存较稳定，局部煤层厚度变化较大。204综采工作面内煤层厚度0.4～9.3 m，平均厚4.6 m，煤层结构简单，局部有夹矸。根据巷道揭露情况显示，204综采工作面地层总体呈倾向NE40°～NE50°的单斜构造，倾角14°～28°，平均21°。工作面整体呈两端高、中间低的宽缓向斜形态，局部发育小褶曲，工作面内发育断层较多，均为正断层，落差不大于5 m，地质构造复杂程度中等。

(2)采面运输巷原支护方式。204运输巷掘进期间，在YS12测点以西16 m至YS14测点以东24 m范围内，因煤层变厚，由原来的沿顶掘进逐渐进入托顶煤掘进，顶煤最大厚度3.7 m，局部地点留有底煤，底煤最大厚度3.5 m，巷道采用36U型钢可缩性支架支护。

为保证204综采工作面在回采期间正常推进及后期沿空留巷的支护需要，在工作面回采前需对该厚煤区域进行扩巷并沿顶施工，在厚煤层中进行扩巷，由于之前托顶煤施工，顶煤最厚处达到3 m，若要沿顶施工，巷道中高将达到6 m左右，且扩巷后由于断面大，更容易导致巷道变形。通过对综采工作面超前扩巷施工技术的研究，采用分层作业以及顶板打注浆锚杆、锚索，帮部打设锚索梁的方式，成功解决了在厚煤层扩巷施工的难题[1-4]。 204综采工作面运输巷扩巷位置如图1所示。

图1 204综采工作面运输巷扩巷位置Fig.1 Location map of roadway expansion of transportation gateway in 22204 fully-mechanized mining face

2 工作面超前扩巷施工技术

2.1 分台阶施工

(1)根据现场实际情况，替换棚子全部沿巷道顶板施工，因巷道高度较高，采取分台阶施工，先对原U型钢顶梁以上的煤层进行施工，U型钢顶梁以上的煤层施工结束后，原支护的U型钢棚可以保留3～5棚先不进行拆除，上分层距未拆除的U型钢棚不超过7棚(4.8 m)。因巷道高度较高并结合巷道换棚结束后的工程安排，巷道帮部的U型钢棚腿可以暂不拆除，待巷道全部换棚结束后再进行拆除[5-9]。

(2)根据现场实际情况，顶煤厚度大于2 m时，采用玻璃钢单体柱进行支护，单体柱打设在保留的U型钢顶梁上，在U型钢顶梁上面铺设木板，单体柱站立在木板上对顶板进行临时支护，单体柱打设在中线两侧1.0～1.5 m的位置，打设2根。顶煤厚度小于2 m时，不在使用临时支护。

(3)具体施工方法。①施工前，要严格执行敲帮问顶制度，在现场施工前班组长必须先对顶、帮进行细致的观察，及时处理顶帮的活矸、碎煤，发现其他不安全隐患，处理后方可进行作业。②换棚前首先进行超前临时支护，在U型钢棚梁中间使用单体液压支柱配合劈子或道板托住顶部钢网，控制顶板，超前单体液压支柱的数量根据现场顶板情况进行打设，单体液压支柱必须升紧，并使用防倒绳固定在顶部钢筋网上。另外在需拆除的U型钢棚下打设1根单体液压支柱进行加固。③超前支护打设完后拆除U型钢限位卡缆、连接卡缆，卸U型钢棚螺丝时操作人员应站在U型棚腿侧面，不得正对U型棚螺丝。④拆除U型钢梁时，严格按照拆一棚支护一棚进行。施工期间一人对单体液压支柱进行泄压，一人监护，根据U型钢梁压力释放情况进行缓慢泄压，待U型钢梁压力完全释放后，2～3人扶住U型钢梁两端，慢慢将U型钢梁卸掉。拆U型钢弧形梁期间，一定要稳，可采取防倒绳将弧形梁捆绑在顶部钢筋网上，防止其倾倒伤人。⑤U型钢梁拆除后，开始挖梁窝，然后铺设塑编网、钢筋网闭顶，使用2根单体液压支柱架设Π型钢梁，Π型钢梁不接顶的要使用背木、劈子进行绞架。⑥顶板完全控制后，进行挖柱窝，拆除U型钢棚腿和钢筋网、塑编网。然后按照设计尺寸进行刷帮，铺设帮部钢筋网、塑编网闭帮。补齐单体液压支柱后，对单体液压支柱进行重新加压，达到设计压力。⑦更换一棚后应对以下项目进行检查，不合格及时进行处理。⑧巷道超高段采用分台阶施工，每天零点班施工原巷道U型钢支护顶梁以上的煤层并全部支护完毕，捌点班拆除后巷的U型钢顶梁及下帮棚腿，进行刷帮打设帮部锚杆，肆点班施工顶部的锚索。

2.2 扩巷支护工艺

2.2.1 永久支护参数设计

(1)锚杆长度计算[10-11]。锚杆长度按悬吊理论计算。

L=KH+L1+L2

(1)

式中，L为锚杆长度；H为自然平衡拱高度(H=B/2f，其中，B为巷道掘进最大宽度，约5 m；f为岩石坚固性系数，取3；计算得H=0.8 m)；K为安全系数，K=1.2～2.0，一般取K=2.0；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5 m；L2为锚杆在巷道的外露长度(岩石外)，一般取0.1 m。

则L=2.2 m，矿井选用锚杆长度2.5 m，满足要求。

(2)锚杆间距和排距计算。间排距可根据每根锚杆悬吊的岩石所受重力确定，即锚杆悬吊的岩石重量大于(等于)锚杆的锚固力。可按间、排距相等原则排列，即：

(2)

式中，a为理论上锚杆间、排距；K为锚杆安全系数，取K=2.0；γ为岩体重力密度，取25.48 kN/m3；Q为设计的锚固力，取105 kN；H为自然平衡拱高度，经计算H=0.8 m。

根据支护经验，顶部杆间排距为800 mm×800 mm，帮部锚杆间排距为700 mm×800 mm。

锚杆间排距验算：锚杆间、排距不大于0.5倍的锚杆长度，锚杆间排距a(0.8 m)<0.5L=1.25 m，符合要求。

(3)锚杆直径计算。

(3)

式中，D为锚杆杆体直径；Q为设计的锚固力，取105 kN；σ为杆体材料的抗拉强度，锚杆强度按330 MPa考虑。

代入数据计算得，D=20.2 mm。

通过计算得出，巷道顶板破碎时选用φ25 mm、长2 500 mm的注浆锚杆，顶板完好时选用φ22 mm、长2 200 mm的高强锚杆，巷道帮部选用φ22 mm、长2 200 mm的高强锚杆，顶部锚杆间排距均为800 mm，帮部锚杆间排距为700 mm×800 mm。

(4)锚索支护参数计算。锚杆支护的作用是保证锚杆锚固区内的岩层不发生离层，而锚索的作用是保证锚杆锚固区与锚固区外的岩层不发生离层，为了保证锚索支护的有效性，需要将锚索锚固到上覆稳定岩层中。锚索的长度应该处于弹性应力影响范围之内。锚索的长度L′应该满足公式：

L′=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中，L′为锚索总长度；La为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，按巷道高度的2倍考虑；Lc为托板及锚具的厚度，取0.05 m；Ld为外露张拉长度，取0.3 m。

将相关数据代入公式计算得，L′=6.29 m。因此，锚索的长度应该大于6.29 m，22204运输巷锚索长度采用7 m。

由于采用全长注浆锚固，因此锚索的轴向抗拉和切向抗剪能力得到有效提高，锚索将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连，发挥深部围岩的承载能力，提高预应力承载结构的稳定性。现场施工时，锚索应尽可能锚固在围岩内部相对较稳定的岩层中，确保锚固效果。同时，锚索长度应与锚索预应力相匹配，锚索越长，施加的预应力应越大。高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果好。经分析，最终确定：顶板完好时采用φ21.6 mm、长9 m或10.3 m普通锚索；顶板不完好时，采用φ22 mm、长7 m的注浆锚索。

2.2.2 加强支护方式

(1)锚索梁的使用。为了增加支护强度，换棚后在巷道帮部打设锚索梁进行加固，锚索梁打设在距顶板1.2 m处，巷道高度超过5 m时打设两道锚索梁，两道锚索梁间距1.5 m，帮部锚索梁允许滞后3.2 m(4排)。204综采面运输巷扩巷支护断面如图2所示。

图2 204综采面运输巷扩巷支护断面Fig.2 Cross section of roadway expansion supporting in 204 fully-mechanized face

(2)注浆锚杆及注浆锚索的使用。在巷道顶板破碎时，打设注浆锚杆及注浆锚索。在进行注浆作业前先进行喷浆，喷浆厚度不小于50 mm，对巷道喷浆后，待24 h喷浆体凝固后方可进行注浆作业。使用2ZBQ-11.5/3型风动注浆机，向注浆锚杆及锚索内进行注浆作业，以此来加强巷道顶板支护强度。

3 实施效果

通过采用分层作业以及顶板打设注浆锚杆、注浆锚索，帮部打设锚索梁的方式，成功解决了在厚煤层扩巷施工以及扩巷后巷道容易变形的难题，于2020年9月底厚煤层区域扩巷工程安全施工结束。

4 结语

通过对厚煤层工作面超前扩巷施工技术的研究，采用分层施工，以及顶板打设注浆锚杆、注浆锚索并在巷道帮部打设锚索梁的支护工艺，成功解决了厚煤层扩巷施工以及扩巷后巷道容易变形的难题。该新技术的成功应用，能够起到更好的超前扩巷支护效果，同时能够将超前支护和沿空留巷的加强支护方式结合在一起，简化了工序，大大减轻了工人的劳动强度，对于后期沿空留巷遭受动压影响也将起到很好的控制作用。研究为地质条件类似的矿井在厚煤层综采工作面超前扩巷施工提供了参考。