开拓巷道穿越采空区支护技术研究及应用

开拓巷道穿越采空区支护技术研究及应用

姜明梁林

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西，延安，727307

摘 要：本文主要以黄陵矿业有限公司一号煤矿四盘区开拓巷道为工程实例，介绍了一种煤矿用开拓巷道穿越采空区支护技术。根据四盘区探明的小煤窑采空区工程地质条件，研究设计了开拓巷道穿越采空区支护技术方案，实现了四盘区开拓巷道穿越采空区时的安全、高效施工。通过实践证实了此支护技术的可行性，可为类似条件下开拓巷道掘进施工借鉴。

关键词：开拓巷道；采空区；三维地震勘探成果；支护技术

0引 言

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿位于陕西省黄陵县城西北约25km处，矿井核定生产能力为600万t/a，主采煤层为2#煤，2#煤属中厚煤层。矿井四盘区2#煤层附存平均厚度为1.8m，盘区内布置的开拓巷道位于井田东南部，设计为两条直墙半圆拱形巷道，分别为四盘区回风巷、四盘区运输巷，其中四盘区回风巷设计净宽5000mm，设计净高4300mm，设计直墙高1800mm，四盘区运输巷设计净宽3800mm，设计净高3300mm，设计直墙高1400mm，两条大巷之间留设保护煤柱30m，均与矿井井田边界平行，其中四盘区运输巷与井田边界之间留设保护煤柱256m，形成后用于四盘区煤炭资源开采。根据四盘区三维地震勘探成果资料显示，矿井井田东南部煤炭资源已经受周边小煤窑破坏，且小煤窑因采煤方法不正规，多采用巷采或以掘带采，形成的采空区给四盘区开拓巷道掘进施工带来了严重威胁。因此，在四盘区开拓巷道穿越小煤窑采空区前，必须根据采空区工程地质条件，研究设计一种可行的穿越采空区支护技术，保证四盘区开拓巷道穿越采空区时的安全高效施工。

1工程概况

陕西陕煤黄陵矿业有限公司委托陕西省煤田地质局物探测量队对四盘区异常区进行了三维地质勘探，解析的勘探成果图如图1所示。根据三维地震勘探成果分析，四盘区回风巷将于3193m、运输巷将于3281m揭露小煤窑采空区，预计四盘区回风巷穿越采空区长度85m，预计四盘区运输巷穿越采空区长度550m。

2017年4月～2017年6月四盘区开拓巷道掘进工程按照专项安全技术措施安全顺利地揭露了小煤窑采空区。根据揭露现场观测，所揭露的采空区冒落岩块已压实，主要为片状泥质砂岩，大小基本不超过1200×500mm。四盘区开拓巷道揭露采空区实景图如图2所示。

根据陕西省煤田地质局物探测量队解析的三维地震勘探成果以及四盘区开拓巷道揭露采空区现状分析，小煤窑开采形成的2#煤采空区范围相对较大，因此，要探明采空区实际冒落情况难度较大。鉴此，在研究设计支护方案之前须对可能遇到的工程地质条件进行分析，并针对不同的采空区工程地质条件研究设计相对应的支护方案，保证四盘区开拓巷道掘进工程施工安全。

图1 三维地质勘探解析成果图 图2 四盘区开拓巷道揭露采空区实景图

2开拓巷道穿越采空区支护方案设计

2.1 采空区工程地质条件分析

根据四盘区2#煤层附存厚度、顶板围岩、水及瓦斯等情况，对可能遇到的采空区地质条件分析如下：

1.根据小煤窑开采特点，采空区中可能存在有布置连续老巷形成的煤柱。

2.可能存在垮落形成的稳定采空区（即在掘进出矸作业时，顶板不再冒落）。

3.可能存在垮落形成的不稳定采空区（即在掘进出矸作业时，顶板继续冒落，且冒落岩石较碎）。

2.2 开拓巷道穿越采空区支护方案设计

根据四盘区开拓巷道穿越采空区可能遇到的采空区工程地质条件分析，结合钢筋混凝土碹支护技术在不稳定地层的应用经验，对四盘区开拓巷道穿越采空区设计以下三种支护方案。

1.钢筋混凝土连续墙支护技术

根据小煤窑开采特点，采空区中可能存在有布置连续老巷形成的煤柱，该区域顶板整体性和稳定性较好、且煤柱延续长度不小于10m时，采用锚网索喷对所掘巷道顶板进行支护、采用锚网索+11#工字钢点柱方式加强老巷支护，然后浇筑钢筋混凝土连续墙形成巷帮，实现开拓巷道穿越采空区中连续煤柱稳定区。

2.管棚钢筋混凝土碹联合支护技术

当开拓巷道穿越稳定采空区时，支设“超前管棚+金属网+U型钢棚+喷砼”形成临时支护（一次支护），利用一次支护形成的外模浇筑钢筋混凝土碹隔离采空区形成巷道，实现开拓巷道穿越稳定采空区。

3.管棚钢筋混凝土碹注联合支护技术

当开拓巷道穿越不稳定采空区时，先架设超前注浆管棚对冒落区围岩进行加固，再支设“金属网+U型钢棚+喷砼”与超前注浆管棚形成临时支护（一次支护），然后利用一次支护形成的外模浇筑钢筋混凝土碹隔离采空区形成巷道，实现开拓巷道穿越不稳定采空区。

3.开拓巷道穿越采空区支护参数设计及校核

本文研究设计的开拓巷道穿越采空区关键支护技术为管棚钢筋混凝土碹联合支护，下文将以四盘区回风巷为例，重点叙述管棚钢筋混凝土碹联合支护参数选择及工艺。

3.1 管棚钢筋混凝土碹支护参数设计

根据上文分析，四盘区运输巷采用管棚钢筋混凝土碹联合支护穿越采空区，巷道全断面安装管棚，规格为φ50×6mm，环向布置，间距300mm,外插角3°～5°，单管长度L=3600mm，搭接长度1800mm；全断面挂双层φ6金属网，网孔50×50mm；架设U25钢棚，排距600mm，棚与棚之间采用5根拉杆连接；全断面喷C20砼，厚度110mm；钢筋混凝土碹主副筋均为φ18螺纹钢，结构筋为φ8圆钢，间排距均为300mm，搭接长度35d，混凝土强度为C30，厚度400mm，基础深度400mm，混凝土中须添加BR-3型防水剂，加入量为水泥量的10%。四盘区运输巷管棚钢筋混凝土碹联合支护断面图如图3所示。

图3 四盘区运输巷管棚钢筋混凝土碹联合支护断面

3.2 管棚钢筋混凝土碹支护参数校核

管棚钢筋混凝土碹支护参数校核包括：超前管棚支护参数、U型钢棚支护参数和钢筋混凝土碹支护参数。

1.围岩应力分析

①按照采空区围岩冒落高度计算围岩压力

计算公式如下：

式中， -围岩压力； -松散围岩容重，采空区矸石按6级围岩取值，取19KN/m³；

-围岩冒落高度； -采高，1.8m； -采空区矸石碎涨系数，取1.4

代入数值计算得出： =0.085MPa

②按照公路隧道设计细则计算围岩压力

计算公式如下：

式中， -围岩压力； -围岩冒落高度；

-松散围岩重度，采空区矸石按6级围岩取值，取19kN/m³； -围岩级别，取6

-宽度影响系数； -巷道宽度，根据尺寸选取4.92m；

- ＞5时取0.1， ＜5时取0.2

代入数值计算得出： =0.27MPa

考虑到开拓巷道穿越采空区施工安全，取围岩压力理论值中较大者， =0.27MPa。

③水平均布松动压力

采空区矸石按6级围岩，水平均布松动压力按（0.5～1） 计算：

=（0.5～1） =0.5×0.14=0.07 MPa

2.超前管棚支护参数校核

钢管抗弯模量计算公式如下：

式中， -钢管抗弯模量，m³；

-钢管内径，0.0488m；

-钢管外径，0.05m；

代入数值计算得出： =4.9×10^-6m³

钢管弯曲正应力强度公式如下：

式中， -钢管弯矩值，kN·m；

-235MPa，外径50mm、壁厚6mm、Q235钢管，查表可知许用应力；

代入数值计算得出： =1.15kN·m

钢管弯矩计算公式如下：

式中， -钢管搭接长度，取1.8m

-钢管所受的均布载荷，kN/m

代入数值计算得出： =2.84 kN/m

钢管与围岩压力关系计算公式如下：

式中， -围岩压力，MPa； -钢管环向间距，取0.3m

代入数值计算得出： =9.5kPa。

综上所述，φ50mm、壁厚6mm的Q235钢管，环向间距300mm的超前管棚支护满足现场临时支护要求。

3. U型钢棚支护参数校核

U钢棚采用三节式，受力计算简图如图4所示；依据结构的对称性，取钢棚的一半进行校核。计算荷载单位荷载集度 =1N/m时，取 =0.5N/m，利用结构力学计算对称结构受力情况。

基本结构在外载荷作用下，截面i处产生的弯矩、轴力计算公式如下:

式中， 、 -分别为基本结构在外载荷作用下，截面 处产生的弯矩、轴力；

-截面 与竖直线的夹角；

由此可以确定钢棚内的最大弯矩 和最大弯矩截面上的轴力 。

单位载荷集度下，钢棚内的最大应力计算公式如下：

式中， -支架型钢横截面积，U25型钢取31.54cm²；

-截面抵抗矩，U25型钢，取81.68cm³；

由此可以确定钢棚内的最大应力 。

图4 U钢棚受力计算简图

U型钢棚危险截面的表面应力达到屈服极限时载荷集度计算公式：

式中， -载荷集度增大系数， ；

-屈服极限，U25型钢，355MPa；

U25型钢棚总的承载能力计算公式如下：

由以上公式，可以求得U25钢棚的承载能力为 =168kN,小于围岩压力270kN，即采用“U25钢棚+超前管棚”可满足现场临时支护需要，但还需要采用钢筋混凝土碹进行永久支护，满足巷道施工、使用安全需要。

查采矿工程设计手册，可知采空围岩条件下，U25钢棚步距选择600mm。

4.钢筋混凝土碹支护参数校核

C30钢筋混凝土条件下，综合考虑巷道断面尺寸、采空区冒落围岩稳定状态、临时支护参数、支护结构等情况，查采矿工程设计手册，选定碹体厚度为400mm，可知碹体容许抗压应力安全值为16.5MPa。

4开拓巷道穿越采空区支护工艺

工艺流程：全断面安装超前管棚→全断面挂φ6金属网→支设U型钢棚→全段面喷砼→浇筑钢筋混凝土碹。

技术关键：一是安装超前管棚并支设“金属网+U型钢棚+喷砼”形成临时支护，保证作业安全、为砌碹创造作业空间及外模，二是绑扎钢筋、浇筑混凝土碹体，保证掘进与砌碹平行作业。

5应用效果

四盘区开拓巷道采用本文设计的管棚钢筋混凝土碹支护技术及专项安全技术措施安全顺利地穿越小煤窑采空区，实际穿越总长535m，其中四盘区回风巷实际穿越总长51m，四盘区运输巷实际穿越总长484m。

黄陵矿业一号煤矿四盘区开拓巷道穿越采空区所采用的管棚钢筋混凝土碹支护技术一是采用超前管棚支护提高了掘进作业安全系数、减少了掘进工程量；二是采用U型钢棚支护，解决了钢筋混凝土碹永久支护与掘进施工平行作业的问题；三是钢筋混凝土碹永久支护与一次支护共同承载采空区二次稳定过程中矿压重新分布所产生的载荷，支护结构合理可靠。该技术的应用为四盘区开拓巷道安全高效穿越采空区奠定了基础，可为类似条件下开拓巷道掘进施工借鉴。

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作者简介：姜明(1984—)，男，陕西蒲城人，汉族，本科，现任黄陵矿业有限公司一号煤矿副总工程师，从事生产技术管理工作。