復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

楊明明

（陽(yáng)煤集團(tuán)開(kāi)元公司生產(chǎn)技術(shù)部技術(shù)組，山西 壽陽(yáng) 045400）

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)性能源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和進(jìn)步的重要保障，隨著以采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架為代表的綜采設(shè)備的不斷投入使用，煤礦井下綜采作業(yè)效率得到了空前的提升。為了適應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備井下綜采作業(yè)需求和高效轉(zhuǎn)運(yùn)需求，對(duì)井下巷道的尺寸和支護(hù)安全性、掘進(jìn)效率均提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的支護(hù)方案中主要是利用被動(dòng)支護(hù)的方案，以錨桿支護(hù)為主、灌漿支護(hù)為輔，但在井下復(fù)雜地形條件下灌漿支護(hù)凝固效率低、漿液傳輸工作量大、經(jīng)濟(jì)性差，無(wú)法適應(yīng)高效掘進(jìn)的需求。本文提出了一種新的支護(hù)技術(shù)，其利用錨桿、錨索、錨網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，充分發(fā)揮了各種支護(hù)方式的優(yōu)勢(shì)，不僅充分地調(diào)動(dòng)了圍巖的承載能力，而且錨固范圍大、支護(hù)操作簡(jiǎn)單，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明新的掘進(jìn)支護(hù)方案能將井下支護(hù)效率提升22.6%，將巷道圍巖變形量降低76.2%，顯著提升巷道掘進(jìn)效率和安全性。

1 巷道支護(hù)形式選擇

以井下典型復(fù)雜地形條件為例，其煤層中含有3層以上的夾矸層，每層夾矸層的厚度超過(guò)0.3 m，煤層位于裂隙發(fā)育區(qū)，而且在復(fù)雜地形條件下，由于巖層硬度差，因此在巷道頂板周期性來(lái)壓作用下極易出現(xiàn)垮塌，傳統(tǒng)的支護(hù)方案中一般采用了依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)加強(qiáng)支護(hù)的方式，利用架棚、錨桿等對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)的地方進(jìn)行加固，工作量大、支護(hù)效率低。

錨桿支護(hù)的錨固深度一般為2 m，錨固深度較淺，在地質(zhì)條件不穩(wěn)定的情況下，無(wú)法對(duì)頂板覆巖的變形進(jìn)行有效控制，在周期性來(lái)壓作用下極易出現(xiàn)頂板垮塌。錨索錨固由于錨固深度大，因此可以有效地將淺層的圍巖形成一個(gè)穩(wěn)定的加強(qiáng)承載體，而且錨索通過(guò)錨固力可以將其控制范圍內(nèi)的巖壁鎖緊并吊在頂板上，形成一個(gè)穩(wěn)固的支點(diǎn)，不但降低了頂板的承載跨距而且也有效的降低了頂板在來(lái)壓作用下的彎矩。錨網(wǎng)則主要是對(duì)易碎裂的區(qū)域進(jìn)行防護(hù)，避免在掘進(jìn)擾動(dòng)和礦壓波動(dòng)下碎石的垮落，保證巷道內(nèi)的掘進(jìn)安全。因此結(jié)合錨網(wǎng)、錨桿、錨索的實(shí)際使用要求和作用，提出將三種支護(hù)形式進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一的聯(lián)合支護(hù)方案，將頂板的基本頂、直接頂和圍巖形成一個(gè)整體組合梁，調(diào)動(dòng)圍巖深處的承載力，將掘進(jìn)和來(lái)壓過(guò)程中的應(yīng)力向深處巖層傳遞，降低載荷沖擊對(duì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)和淺層巖層的破壞，提升巷道頂板的穩(wěn)定性[1]。

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中的支護(hù)，根據(jù)形式的不同可分為永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)后首先由人工進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)布置，然后再進(jìn)行錨桿、錨索永久支護(hù)布置，該支護(hù)方案為串行式支護(hù)，不僅支護(hù)效率低而且支護(hù)安全性差。因此結(jié)合井下高速掘進(jìn)作業(yè)需求，提出了“二合一”式的支護(hù)方案，將臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)工序進(jìn)行合并，使錨網(wǎng)布置、鉆孔、鉆機(jī)移位等工序和掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)并行開(kāi)展，不僅取消了臨時(shí)支護(hù)工序而且將部分永久支護(hù)工序進(jìn)行前移，根據(jù)實(shí)際計(jì)算，采用“二合一”支護(hù)方案能夠節(jié)約1/3的支護(hù)時(shí)間，而且有效避免了在永久支護(hù)過(guò)程中進(jìn)行煤塊清理、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了支護(hù)可靠性。

2 主巷支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以典型的大巷道掘進(jìn)面為依據(jù)，新的“二合一”支護(hù)方案中，在主巷道內(nèi)設(shè)置了5組錨桿，在巷道左側(cè)布置3組錨索，在巷道的右側(cè)布置2組錨索。根據(jù)復(fù)雜地形條件下礦壓顯現(xiàn)的最大值，錨桿選用了直徑為22 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿之間的橫向距離設(shè)置為1 000 mm，錨桿的縱向距離設(shè)置為1 000 mm，設(shè)置在下側(cè)的錨桿距離巷道底板為500 mm，設(shè)置在上側(cè)的錨桿距離巷道頂部的距離同樣為500 mm。錨桿在設(shè)置時(shí)需要根據(jù)井下的實(shí)際地質(zhì)情況和巷道底板呈10°~15°的夾角。錨索布置時(shí)采用了3-4-3的布置結(jié)構(gòu)，相互之間的距離為2 000 mm。在巷幫處每排設(shè)置3根錨桿，錨桿的縱向距離為1 000 mm，橫向距離為1 000 mm，錨索的直徑和錨桿直徑一致，便于進(jìn)行固定加強(qiáng)。錨索在設(shè)置時(shí)做出的錨索橫向排距為1 000 mm，縱向排距為2 000 mm，最上層的錨索和頂板錨桿的距離保持在500~1 000 mm，下部的錨索和錨桿的距離也保持在500~1 000 mm。巷道右側(cè)錨索的間距設(shè)置為2 200 mm，排距設(shè)置為2 000 mm。同時(shí)在錨索的尾部還需要設(shè)置相應(yīng)的鎖具[2]，錨固時(shí)的鎖緊力不能低于250 kN，從而有效確保錨、索、網(wǎng)一體支護(hù)的穩(wěn)定性，煤礦井下支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦井下巷道掘進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

3 掘進(jìn)機(jī)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在掘進(jìn)機(jī)的端部由于斷面尺寸相對(duì)較大，因此在掘進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)冒頂事故，因此是快速掘進(jìn)過(guò)程中巷道頂板支護(hù)的關(guān)鍵，結(jié)合巷道掘進(jìn)工藝和支護(hù)安全性需求，提出了三次成巷快速支護(hù)方案[3]。在掘進(jìn)過(guò)程中首先對(duì)巷道中間大面進(jìn)行一次成巷，然后進(jìn)行巷道大面錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，在此支護(hù)時(shí)需要沿著巷道施工走向先形成“井”字型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)完成后再對(duì)左側(cè)和右側(cè)分別進(jìn)行成巷，從而確保了在不影響巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量情況下優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。

對(duì)巷道掘進(jìn)端部的支護(hù)同樣采用了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)，先將錨索以“井”字型結(jié)構(gòu)布置在巷道內(nèi)，組成一個(gè)支護(hù)框架，滿足對(duì)頂板的支護(hù)穩(wěn)定性需求，然后在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的過(guò)程中將錨索用鋼帶串起來(lái)，鋼帶的間距設(shè)置為1 000 mm，排距設(shè)置為1 000 mm，鋼帶的數(shù)量根據(jù)煤礦井下巷道的實(shí)際寬度進(jìn)行靈活選取，錨網(wǎng)選擇孔徑為30 mm的高密度錨網(wǎng)[4]，雙層排列結(jié)構(gòu)，確保掘進(jìn)面掘進(jìn)作業(yè)的穩(wěn)定性，掘進(jìn)機(jī)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)端部巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

4 應(yīng)用效果分析

以某井下掘進(jìn)作業(yè)面為驗(yàn)證對(duì)象，巷道寬度為5.0 m，巷道高度為2.8 m，巷道所處的地質(zhì)條件為典型的不穩(wěn)定型地質(zhì)，且部分處在斷層處，穩(wěn)定性極差。對(duì)采用新的巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)情況下的巷道掘進(jìn)穩(wěn)定性和效率進(jìn)行對(duì)比分析，在巷道頂板和兩幫設(shè)置位移監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的頂板下沉量、巷道兩幫移近量和底鼓量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 新支護(hù)方案下巷道變形情況統(tǒng)計(jì)

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采用新的支護(hù)技術(shù)方案后，巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量均是先快速增加，然后逐漸的趨于平穩(wěn)。頂板下沉量在第40 d時(shí)達(dá)到了31 mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120 d時(shí)穩(wěn)定在了39 mm，比優(yōu)化前降低了76.2%。巷道兩幫的移近量在第61 d時(shí)達(dá)到了138 mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120 d時(shí)穩(wěn)定在了145 mm，比優(yōu)化前降低了91.1%。巷道的底鼓量，在第40 d時(shí)達(dá)到了58 mm，在第120 d時(shí)達(dá)到了86 mm，比優(yōu)化前降低了79.1%。由此可知新的支護(hù)技術(shù)方案能夠極大的提升巷道掘進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中的效率對(duì)比，新的支護(hù)方案由于采用了錨索網(wǎng)一體式支護(hù)和“二合一”支護(hù)方案，總體掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了22.6%，為提升井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

為了解決復(fù)雜地形條件下巷道支護(hù)工作量大、效率低、安全性差的難題，提出了一種新的煤礦井下掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)，其采用了錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)及“二合一”的方案，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形條件下煤礦掘進(jìn)支護(hù)安全性的提升，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）“二合一”支護(hù)方案能夠節(jié)約1/3的支護(hù)時(shí)間，而且有效避免了在永久支護(hù)過(guò)程中進(jìn)行煤塊清理、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了支護(hù)可靠性。

2）三次成巷快速支護(hù)方案能夠在不影響巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量情況下優(yōu)化掘進(jìn)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。

3）新的支護(hù)方案下，巷道頂板變形量比優(yōu)化前降低了76.2%，兩幫移近量比優(yōu)化前降低了91.1%，底鼓量比優(yōu)化前降低了79.1%，巷道的總體掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了22.6%，顯著提升了井下巷道的支護(hù)穩(wěn)定性，而且為提升井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。