采礦工程采空區(qū)巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

陳 康

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)野川煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

隨著國家對(duì)各種資源的大量需求，除了加大對(duì)石油的開采力度，也不斷加強(qiáng)對(duì)國內(nèi)煤礦資源的開采。將當(dāng)前先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)及成熟設(shè)備應(yīng)用到巷道支護(hù)中，提升煤礦巷道開采中的掘進(jìn)支護(hù)可靠性及安全性，已成為當(dāng)前老礦井的支護(hù)方式升級(jí)改造及新礦井支護(hù)方式設(shè)計(jì)建造中的重點(diǎn)考慮內(nèi)容[1]。為此，結(jié)合山西野川煤礦礦井特點(diǎn)，對(duì)該礦井巷道的掘進(jìn)支護(hù)方式進(jìn)行了臨時(shí)和永久性支護(hù)設(shè)計(jì)，針對(duì)巷道中的關(guān)鍵設(shè)備及施工過程進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析，最終對(duì)該巷道掘進(jìn)支護(hù)進(jìn)行了現(xiàn)場跟蹤及記錄，由此，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的巷道掘進(jìn)支護(hù)的可靠性及安全性，為提高礦井的作業(yè)安全提供了重要保障作用。

1 礦井基本情況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)野川煤業(yè)有限公司是由晉煤重組辦發(fā)〔2009〕44號(hào)文件批準(zhǔn)的兼并重組整合礦井，位于高平市西北15 km處的野川鎮(zhèn)境內(nèi)。野川煤業(yè)總體為一走北東，傾向北西的單斜構(gòu)造；沿傾向方向有幅度不大的波狀起伏，中東部以走向北東的向斜構(gòu)造為主，兩翼地層平緩基本對(duì)稱，傾角約3°～8°，總體地質(zhì)構(gòu)造簡單，水文地質(zhì)類型劃分為中等，無沖擊地壓[2]。井田全部可采煤層為3號(hào)、15號(hào)煤層，11號(hào)煤層為局部可采煤層。礦井現(xiàn)采3號(hào)煤層，煤層平均厚度為5.39 m，保有資源儲(chǔ)量為4 548萬t，15號(hào)煤層保有資源儲(chǔ)量為3 847萬t，11號(hào)煤層保有資源儲(chǔ)量為1 401萬t。

另外，該煤礦中的礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為15.24 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為29.91 m3/min，屬高瓦斯礦井。礦井采用斜立井混合開拓方式，布置有主副兩個(gè)斜井和一個(gè)回風(fēng)立井，全部落底于3號(hào)煤層，通風(fēng)方式為中央并列式[3]。井下布置一個(gè)采區(qū)，采區(qū)現(xiàn)布置一個(gè)3205綜放工作面，一個(gè)3202切眼綜掘工作面。掌握礦井工作面的具體情況，能更加有針對(duì)性地對(duì)礦井中關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此保證整個(gè)礦井的安全可靠性。

2 巷道掘進(jìn)支護(hù)方式的確定

2.1 巷道臨時(shí)支護(hù)

結(jié)合野川煤業(yè)礦井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了1套ZLJ-5.5機(jī)載裝置對(duì)巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。該設(shè)備的架設(shè)方法為掘進(jìn)機(jī)完成掘割裝煤作業(yè)后，將機(jī)組退至永久支護(hù)下，放下截割頭并對(duì)機(jī)組進(jìn)行閉鎖，按下列程序操作進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)[4]：先檢查支護(hù)各部位零部件管路是否正常，再把兩位三通閥打到支護(hù)位置，打開掘進(jìn)機(jī)泵站開關(guān)，給臨時(shí)機(jī)載支護(hù)供油，支護(hù)工將鋼筋托梁和金屬網(wǎng)妥當(dāng)放在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)上，待支護(hù)工撤離至安全地點(diǎn)后，機(jī)組司機(jī)向前推動(dòng)支護(hù)主架和頂梁架液壓控制手柄，主架和頂梁架由折合狀態(tài)，慢慢平穩(wěn)打開，開到所需要的角度和位置再升主架，升到巷道頂板，將鋼筋托梁和金屬網(wǎng)壓緊在巷道的頂板上，閉鎖機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，然后作業(yè)人員站在臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè)，打注完錨桿（索）后，作業(yè)人員撤出施工地點(diǎn)以外安全地點(diǎn)，機(jī)組司機(jī)先把主架下降到最低位置，再折合主架和頂梁架，合到頂梁架趴在掘進(jìn)機(jī)上為止，把兩位三通閥打到掘進(jìn)機(jī)位置，進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)。當(dāng)巷道遇到頂板留不住時(shí)，可在臨時(shí)機(jī)載支護(hù)上方，放置道木與巷道頂板接頂。

整個(gè)巷道臨時(shí)支護(hù)的工藝過程為：退機(jī)→截割頭落地并閉鎖機(jī)組→調(diào)整主架和頂梁架位置→閉鎖機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置→敲幫問頂找掉活煤（矸）→支護(hù)工抬鋼筋托梁、金屬網(wǎng)妥當(dāng)放在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)上→支護(hù)工撤離至安全地點(diǎn)→機(jī)組司機(jī)向前推動(dòng)主架和頂梁架到需要的角度和位置→抬升主架接頂嚴(yán)密→閉鎖機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置→閉鎖掘進(jìn)機(jī)→支護(hù)工在臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè)→以此循環(huán)漸進(jìn)進(jìn)行作業(yè)。

2.2 巷道永久支護(hù)

巷道的永久性支護(hù)方式包括高強(qiáng)度錨桿、錨索、鋼筋托梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。結(jié)合野川煤業(yè)礦井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了巷道永久支護(hù)的工藝流程為[5]：臨時(shí)支護(hù)后→安全檢查（敲幫問頂后）→畫眼位→錨桿鉆機(jī)鉆錨桿孔→清孔→安裝錨固劑（先放一支MSK2335快速錨固劑，再放一支MSZ2360中速錨固劑）和錨桿→上錨桿托板、墊圈、螺母，升起錨桿鉆機(jī)并用攪拌器聯(lián)接錨桿鉆機(jī)和錨桿尾部→用錨桿機(jī)攪拌錨固劑（91～180 s）→停止攪拌等待1 min后→進(jìn)行二次轉(zhuǎn)動(dòng)錨桿鉆機(jī)扭緊螺母→收縮錨桿鉆機(jī)→用力矩扳手緊至設(shè)計(jì)值→安裝其他錨桿。在支護(hù)中使用到的支護(hù)設(shè)備及工具包括：礦斧、手鎬、大錘1把，鐵鍬3張，ZQS-50/1.6S型幫錨桿鉆機(jī)、MS18-200/60型錨索張拉器、力矩扳手、氣腿式鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)鉆桿B19、錨桿鉆機(jī)鉆頭Φ 28 mm或30 mm、MQT-120型風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)，YT-28風(fēng)鉆等。另外，在支護(hù)過程中，當(dāng)工作面0.8 m循環(huán)時(shí)，永久支護(hù)距工作面迎頭的最大距離≯1200 mm、最小距離≯400 mm，永久支護(hù)下錨索要緊跟工作面打注，不得滯后施工；當(dāng)工作面1.6 m循環(huán)時(shí)，永久支護(hù)距工作面迎頭的最大距離≯2 000 mm、最小距離≯400 mm，永久支護(hù)下錨索要緊跟工作面打注，不得滯后施工。

3 巷道掘進(jìn)支護(hù)中關(guān)鍵過程設(shè)計(jì)

3.1 工作面中液壓支架的選型設(shè)計(jì)

3.1.1 液壓支架類型確定

液壓支架作為礦井掘進(jìn)支護(hù)中的關(guān)鍵設(shè)備，選擇合理、匹配的型號(hào)設(shè)備，至關(guān)重要。由此，根據(jù)山西野川煤礦礦井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用ZY3400/8.5/18掩護(hù)式支架來實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的掘進(jìn)支護(hù)。所選液壓支架的設(shè)計(jì)最大控頂距為4.7 m，最小控頂距為4.1 m，工作面長為150 m，共需支架99架，支架型號(hào)為ZY3400/8.5/18，支架工作阻力為3 400 kN。該設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示。

3.1.2 液壓支架支護(hù)強(qiáng)度校核

綜采工作面選取的液壓支架額定工作阻力應(yīng)符合以下條件：

式中：F為液壓支架的額定工作阻力，kN；P為工作面的合理支護(hù)強(qiáng)度，0.36 MPa；S為端頭液壓支架的支護(hù)面積（最大控頂距×支架寬度）7.05 m2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得F≥2 538 kN。

表1 ZY3400/8.5/18掩護(hù)式支架技術(shù)參數(shù)表

同時(shí)，綜采工作面底板比壓應(yīng)符合以下條件：

式中：P底為底板巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；M為液壓支架質(zhì)量，9.3 t；S底為液壓支架底座面積，3.3 m2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得P底≥0.8 MPa。

根據(jù)表2內(nèi)容對(duì)液壓支架進(jìn)行適應(yīng)性比較，確定選擇的支架滿足支護(hù)要求。

表2 液壓支架參數(shù)對(duì)照表

3.1.3 支護(hù)強(qiáng)度校驗(yàn)

現(xiàn)綜采工作面液壓支架型號(hào)為ZY3400/8.5/18，額定支護(hù)強(qiáng)度3 400 kN。故所選架型ZY3400/8.5/18（掩護(hù)式），能夠滿足采煤工作面頂板管理和安全生產(chǎn)需要。

3.2 錨桿錨索技術(shù)參數(shù)確定

巷道支護(hù)中錨桿類型有很多種，結(jié)合實(shí)際情況選擇的錨桿類型為圓鋼錨桿，錨桿直徑為18 mm，長度為2 000 mm。同一排中錨桿之間的距離設(shè)置為850 mm，相鄰兩排錨桿的距離同樣設(shè)置為850 mm。錨桿在安裝時(shí)需要配合使用1支樹脂藥卷，具體型號(hào)為CK2340。此外還需要的配套裝置包括拱形托盤和螺母，其中拱形托盤的規(guī)格尺寸為120 mm×120 mm×8 mm。錨桿的錨固力必須超過50 kN。頂板錨索采用的是鋼絞繩錨索，其直徑和長度分別為17.8 mm和8 000 mm。錨索的間距和排距全部設(shè)置為1 700 mm，即采用的是“2-1-2”的布置形式。錨索安裝時(shí)需要配合使用2支樹脂藥卷，型號(hào)為CK2360，此外還需要使用工具托盤，托盤的規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。為了確保錨索的錨固效果，要求錨索必須深入穩(wěn)定層超過1 000 mm，錨索的錨固力需要超過200 kN，通過預(yù)應(yīng)力安裝，錨索的預(yù)應(yīng)力超過150 kN。錨桿和錨索安裝時(shí)全部與頂板保持垂直安裝。

3.3 噴層厚度及其強(qiáng)度分析

在巷道圍巖表面噴涂混凝土的目的，主要是避免巷道圍巖出現(xiàn)風(fēng)化問題，從而影響圍巖的穩(wěn)定性。我國頒布的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)對(duì)噴涂混凝土的厚度提出了明確要求。結(jié)合巷道圍巖的實(shí)際情況，確定混凝土強(qiáng)度為C20，噴層厚度設(shè)置為100 mm，分兩次噴射，第1次噴射厚度為50 mm，等到巷道圍巖徹底穩(wěn)定后再噴射50 mm[6]。

4 礦井現(xiàn)場支護(hù)效果評(píng)價(jià)

結(jié)合前文對(duì)山西野川煤礦礦井巷道掘進(jìn)支護(hù)的設(shè)計(jì)，加上該巷道中其他分系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及施工，完成了該礦井巷道的設(shè)計(jì)建造工作。為進(jìn)一步掌握所設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方式的可靠性，對(duì)所建巷道的支護(hù)情況進(jìn)行為期12個(gè)月的實(shí)際跟蹤記錄。在整個(gè)運(yùn)行過程中，整個(gè)巷道的支護(hù)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯異常，掘進(jìn)支護(hù)工藝流程操作合理、支護(hù)效果顯著，巷道中的頂板也未出現(xiàn)異常破壞現(xiàn)象。該項(xiàng)目實(shí)施后，整個(gè)巷道受影響區(qū)域縮小了80%左右，煤礦的開采量也同比增加了50萬t左右，巷道因支護(hù)產(chǎn)生的故障問題減小了70%左右，給企業(yè)帶來了將近1 000萬的凈利潤收入，并有效提高了巷道作業(yè)過程中的安全性。由此，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的礦井巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的可行性強(qiáng)，效果好。

5 結(jié)論

鑒于礦井巷道的環(huán)境相對(duì)惡劣、復(fù)雜，不斷加強(qiáng)對(duì)礦井巷道掘進(jìn)支護(hù)方式的優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，提升巷道作業(yè)過程中的支護(hù)效果及作業(yè)安全性，成為當(dāng)前重要的研究重點(diǎn)。由此，結(jié)合山西野川煤礦礦井巷道的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)該煤礦巷道進(jìn)行了臨時(shí)及永久性支護(hù)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)巷道支護(hù)過程中所涉及到的關(guān)鍵設(shè)備及工藝進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過對(duì)該巷道現(xiàn)場支護(hù)效果的應(yīng)用評(píng)價(jià)，得出所設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)具有更高的可靠性及安全性，可有效提升煤礦的開采量，降低巷道的故障率，得到人員的一致認(rèn)可，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。