大斷面開切眼邁步掘進一次成巷工藝技術(shù)研究

魏 斌

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

隨著煤礦巷道掘進技術(shù)的不斷進步，礦井機械化掘進的優(yōu)勢凸顯。它不僅效益高、安全，而且減輕了工人的勞動強度，但對于綜采液壓支架安裝需要的大斷面切眼巷道，如何快速成巷、穩(wěn)固支護，始終是一個難題[1-3]。通常采取先掘小斷面巷道、再進行二次擴幫解決[4]。

傳統(tǒng)的綜采面切眼掘進支護有兩種[5-8]：一種是早期的棚梁加雙中柱支護，棚距一般為0.5m。該支護方式掘進速度慢，材料消耗量大，配置人員多，勞動強度大，人工費用高；架設(shè)笨重大抬棚的作業(yè)具有一定的危險性；且這種支護方式制約工作面安裝速度，作業(yè)人員多、相對有效作業(yè)空間小，安全性不高。另外這種支護對頂板沒有施加上主動的預(yù)應(yīng)力，屬被動支護，不能有效控制頂板離層和冒頂現(xiàn)象發(fā)生，支護效果較差，容易造大范圍冒頂事故，冒頂后二次恢復(fù)工作量更大[9]。另一種是后來改進的，也是目前常用的方式，即先掘送小斷面，采用錨桿掛鋼帶、金屬網(wǎng)支護，在安裝液壓支架時再二次擴幫[10-13]。這種支護方式雖然較簡單，但二次擴幫時影響安裝速度；另外邊擴幫邊安裝，作業(yè)的工種多、人員多，各工種配合、協(xié)調(diào)不好，很容易造成人身安全事故，安全隱患大[14-16]。

以上兩種施工支護方法都存在著各自弊端，為了保證綜采工作面的大斷面切眼，本次研究了將6100mm大斷面切眼采用邁步掘進一次性成巷的施工工藝，即第一次和第二次施工邁步交替，第一次施工4000mm，施工一個班后，邁步至第二次施工剩余的2100mm，往復(fù)交替循環(huán)。采用錨桿(索)上鋼帶、鋼筋網(wǎng)主動支護技術(shù)[17-20]。

1 大斷面切眼邁步一次成巷現(xiàn)場條件

110302工作面切眼為半煤巖巷、巖頂掘進，煤層傾角19°～35°，煤厚度1.88m。工作面切眼設(shè)計正常巷道寬度6100mm，高度2800mm，坡度沿煤層頂板掘進。在巷道掘進至30m、86m處各揭露一條逆斷層，落差分別為1.5m和1.3～2.5m，影響范圍分別為22m和25m；受斷層影響，在154m處揭露一處構(gòu)造破碎帶，影響范圍10m。頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性

通過對該工程施工現(xiàn)場的分析，認(rèn)為具體的技術(shù)難點主要體現(xiàn)在：①110302切眼內(nèi)分布斷層，遇到斷層及破碎帶時，空頂距不能太大，頂板破碎時容易隨掘隨冒，錨桿索長度等參數(shù)是否合理對于頂板的懸吊高度、預(yù)緊力能否施加好都有影響；②巷道斷面大、跨度大、坡度大，大跨度巷道的支護體間排距合理確定將決定支護成敗，此外煤層傾角大，掘進機后退需要時間，及時支護的時間有所滯后，對頂板的支護不利；③部分區(qū)域頂板淋水，底板泥化嚴(yán)重，施工的錨桿鉆孔淋水時錨固劑安設(shè)困難，對于錨固劑型號、攪拌時間需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整；④地應(yīng)力較高，以往切眼錨桿、錨索發(fā)生斷裂情況，大斷面高地應(yīng)力條件需對錨桿索等材質(zhì)、強度進行嚴(yán)格檢驗。在切眼斷面跨度較大的狀況下，頂板以及兩幫的支護不協(xié)同時，錨桿索會因為巷道圍巖變形出現(xiàn)拉斷的問題。為此需對大斷面巷道的掘進施工工藝、巷道支護參數(shù)設(shè)計進行詳細(xì)設(shè)計。

2 大斷面切眼支護參數(shù)計算

2.1 錨桿支護參數(shù)的確定

頂錨桿長度計算[13-15]：

L=KH+L1+L2

(1)

H=6.1/(2×4)=0.76m

L=2×0.76+0.5+0.1=2.12m

式中，L為錨桿長度，m；H為冒落拱高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定煤層的深度，一般按經(jīng)驗取0.5m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，取0.1m；其中：H=B/(2f)；B為巷道開掘?qū)挾?，取正常巷道寬?.1m；f為頂板(粉砂巖)堅固性系數(shù)，取4。 通過以上計算，取頂錨桿使用長度為2.2m。

幫錨桿的長度計算：

S=S1+S2+S3

(2)

式中，S1為錨桿外露長度，取為0.1m；S2為錨桿的有效錨固長度，m；S3為錨桿的錨固長度，取為0.4m；幫錨桿的有效錨固長度S2，按以下經(jīng)驗公式計算[15-18]：

S2=(1+f)/(1+2f)+(B-1)/(B+1)=1.28m

S=S1+S2+S3=0.1+1.28+0.4=1.78m

通過以上計算，取幫錨桿使用長度為1.8m。

錨桿直徑計算：

式中，d1為頂錨桿直徑；d2為幫錨桿直徑，mm；Q為錨桿錨固力，頂80kN、幫80kN；F1為錨桿抗拉強度，500MPa。

錨桿錨固長度L3計算：

L=KdF1/4F2

(4)

頂錨桿L3=KdF1/4F2=2×20×500/(4×16)=313mm；幫錨桿L3=KdF1/4F2=2×18×500/(4×16)=281.25mm。

即頂錨桿L3=0.313m幫錨桿L3=0.281m。取頂錨桿錨固長度0.5m、幫錨桿錨固長度0.4m。

式中，K為錨桿的安全系數(shù)，取2；d為錨桿直徑，取20mm；(幫錨桿直徑取18mm)；F1為錨桿抗拉強度，500MPa；F2為錨桿與錨固劑粘結(jié)強度，16MPa。

錨桿間排距計算：按加固拱理論：D≤0.5L=1.1m，考慮到安全系數(shù)，錨桿間、排距取0.8m。

2.2 錨索支護設(shè)計

錨索長度的計算[18，19]：

X=L1+L2+L3=0.35+6.1+1.4=7.85m

(5)

式中，L1為錨索外露長度，取0.35m；L3為錨索的錨固長度，取1.4m；L2為錨索的有效錨固長度。穩(wěn)定圍巖巷道L2=巷道跨度=6.1m；錨索長度取8.3m。

懸吊理論校核錨索排距[20]：

L≤NF2/[BHγ-(2F1sinθ)/L]=2.84m

(6)

式中，L為錨索間排距，m；B為巷道最大冒落寬度，6.1m；H為巷道最大冒落高度，2.2m；(最大取錨桿長度)；γ為巖體容重，23.43kN/m3(包括頂煤+直接頂)；L1為錨桿排距，0.8m；F1為錨桿錨固力，80kN；F2為錨索極限承載力，320kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，75°；N為錨索排數(shù)，取1。通過計算錨索間排距為2.84m，為了安全實際取間距為1.5m，排距為1.6m。能滿足生產(chǎn)設(shè)計要求。

錨索的錨固長度L3：

L3=kdf1/(4f2)=1.241m

(7)

式中，L3為設(shè)計錨固長度，m；k為安全系數(shù)，一般取1.5；d為錨索直徑，取0.0178m；f1為索線抗拉強度，取1860MPa；f2為錨索與錨固劑粘結(jié)強度，取10MPa；錨固長度取1.4m。

通過上述計算錨桿、錨索的參數(shù)，從安全角度留有一定富余量，以期保證滿足要求。

這一數(shù)據(jù)表明，EGP注重英語基礎(chǔ)知識訓(xùn)練，是開展ESP課程的基礎(chǔ)，學(xué)生盡管傾向于選擇ESP課程，但對于完全摒棄EGP課程還持有疑慮。而這一點在英語水平程度相對較差的C組表現(xiàn)得尤為明顯。

3 大斷面切眼邁步一次成巷支護工藝

3.1 邁步交替掘進施工工藝

切眼的掘進施工工藝流程為：①先施工切眼倒車硐室；②然后施工切眼端頭支架段，生產(chǎn)一班施工切眼采幫4000mm范圍→生產(chǎn)二班邁步施工切眼非采幫剩余部分，施工寬度為2900mm，施工非采幫時必須保證切眼巷道的寬度；③當(dāng)施工切眼完端頭支架段后，綜掘機按照第一次施工單幫掘進，邁步施工巷道寬度4000mm；④當(dāng)?shù)谝淮问┕さ轿缓?，綜掘機退回，邁步第二次刷幫位置；⑤第二次施工刷幫成型，施工寬度為2100mm；⑥補強單體支護，允許滯后迎頭30m，補強單體+柱鞋+柱帽，單體間排距2900mm×1500mm。

邁步流程為：第一施工4000mm，施工一個班后，邁步第二次施工剩余的2100mm。邁步循環(huán)掘進時綜掘機截割軌跡如圖2所示。

圖2 綜掘機邁步截割順序軌跡

3.2 臨時支護施工工藝

1)當(dāng)截割完一個循環(huán)進尺后，退綜掘機，進行敲幫問頂，使用“前探梁+木背板+木楔子”方式進行臨時支護。

2)敲幫問頂時，必須由專人(至少2人，一人觀察頂板、一人操作)站在支護完好的巷道下進行操作；敲幫問頂必須使用專用工具(采用長度不低于2000mm，直徑為20mm，一頭尖一頭扁的長鋼釬作為敲幫問頂專用工具)；敲幫問頂工作必須由班組長和有經(jīng)驗的老工人進行，并堅持由外向里、由頂部向幫部的原則；敲幫問頂時施工人員必須站在安全地點用專用工具搗掉頂板及兩幫活矸，操作期間，觀察人員發(fā)現(xiàn)有威脅操作人員人身安全的情況時，應(yīng)立即通知操作人員撤離至安全地點。

3)前探梁選用由?60mm的鋼管制作而成，每條長度為6.0m，共使用3條前探梁。每條前探梁必須設(shè)防滑裝置，防滑裝置采用小鏈焊接鐵鉤子，然后再焊接在每條前探梁的一端，使用時將鐵鉤子掛在頂板網(wǎng)上防止前探梁下滑。

4)吊環(huán)采用?20mm的螺紋鋼錨桿帽、配合厚度為15mm的鋼板加工制作的吊環(huán)。吊環(huán)上部焊接錨桿螺母，安設(shè)時將該螺母擰在外露錨桿上。在吊環(huán)安設(shè)有活動插銷孔，插銷使用B19的釬桿或同等強度的材質(zhì)制作，吊環(huán)數(shù)量為9個，其中6個使用，3個備用。

5)每條前探梁采用2個吊環(huán)、按巷道中線平行吊掛在巷道頂板且靠近迎頭的錨桿下。前探梁上方采用2塊規(guī)格長×寬×厚=3400mm×400mm×50mm的木背板和木楔背頂，與頂板緊貼。木背板垂直于巷道中線方向，在相鄰的兩條前探梁上安設(shè)。背板兩端超出前探梁的長度要均勻一致?，F(xiàn)場備有4塊背板，其中2塊使用，2塊備用。

6)木背板使用木楔背實，保證與頂板接實。

3.3 永久支護施工工藝

頂板：采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿端頭錨固，頂錨桿規(guī)格：?20mm×2200mm，錨桿間排距為800mm×800mm，每根錨桿使用一卷MSCK-2370型錨固劑，頂錨桿錨固力不小于80kN，扭矩力100N·m，錨桿托盤規(guī)格為：長×寬×厚=120mm×120mm×10mm蝶形托盤，并配球形墊圈和阻尼墊，頂網(wǎng)片?6.5mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格100mm×100mm，搭接100mm，搭接處用14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接，網(wǎng)扣間距100mm。錨索支護：規(guī)格?17.8mm×8300mm，錨索間排距1500mm×1600mm，每根錨索使用2卷MSCK-2370型錨固劑，每根錨索使用1塊300mm×300mm×16mm鋼板壓制成型錨索托盤，并配套球形墊圈機KM-18鎖具，錨索預(yù)緊力不小于120kN。

非采幫：采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿端頭錨固，幫錨桿規(guī)格：?18mm×1800mm，幫錨桿間排距為900mm×900mm，每排3套，錨桿錨固力不小于80kN，扭矩力100N·m，錨桿托盤規(guī)格為：長×寬×厚=120mm×120mm×10mm蝶形托盤，并配球形墊圈和阻尼墊，每根錨桿使用一卷MSCK-2370型錨固劑；網(wǎng)片采用10#鐵線編制的金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格2500mm×2200mm，網(wǎng)格50mm×50mm，搭接200mm，搭接處用雙股14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接。

采幫：采用玻璃鋼錨桿端頭錨固，錨桿規(guī)格：?18mm×1800mm，錨桿間排距900mm×900mm，玻璃鋼錨桿托盤為Ф125mm×12mm圓形托盤，錨桿錨固力40kN，扭矩力40N·m，每根錨桿使用一卷MSCK-2370型錨固劑；網(wǎng)片采用塑料網(wǎng)片(帶鋼絲阻燃)，規(guī)格2500mm×10000mm，網(wǎng)格50mm×50mm，搭接200mm，搭接處用雙股14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接。

補打單體柱：110302工作面切眼開口10m范圍使用錨網(wǎng)索+單體+π型梁，間排距2900mm×1000mm，110302工作面切眼10m后采用錨網(wǎng)索+單體(柱鞋+柱帽)支護，間排距2900mm×1500mm，煤機硐室段使用一排間距1000mm的單體(柱鞋+柱帽)支護，端頭支架擴幫段使用一排間距800mm的單體(柱鞋+柱帽)支護，當(dāng)頂板破碎根據(jù)實際需要縮小單體的排距。

切眼巷道支護方案如圖3、圖4所示。

圖3 切眼巷道支護剖面(mm)

圖4 切眼巷道支護平面圖(mm)

4 巷道支護效果觀測

切眼巷道表面位移的測試采用“十字布點法”，在巷道兩幫及頂?shù)装甯鞑贾脺y點，每天定期進行觀測。頂板離層情況采用頂板離層指示儀進行測試，在距切眼開口100m處布置了測站，如圖5所示。

圖5 切眼巷道效果監(jiān)測儀器布置

切眼巷道掘進完成后巷道表面位移隨時間的變化曲線，如圖6所示。由圖6可知：切眼巷道施工后，巷道頂?shù)装濉蓭鸵约绊敯逑鲁磷冃尉^快；在巷道揭露10d左右，圍巖變形速度逐漸變慢，表明巷道圍巖逐步穩(wěn)定；巷道頂?shù)装逡平吭?60mm以內(nèi)，且主要以頂板下沉為主，頂板下沉量最大為130mm，兩幫移近量最大為164mm，巷道圍巖控制效果較好。

圖6 切眼巷道表面位移實測曲線

切眼巷道完成后頂板離層監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，頂板離層值在巷道圍巖暴露后，隨時間推移緩慢增加，但很快即趨于穩(wěn)定，且總的頂板離層值控制在10mm以內(nèi)；主要以淺部的離層為主，深部基本無離層；由于離層值較小，分析原因主要為淺部圍巖在暴露后的膨脹擴容所致，由此可見，設(shè)計的錨桿(索)支護系統(tǒng)很好的保證了巷道頂板的安全，可靠性較高。

圖7 頂板離層實測曲線

在巷道掘進期間錨桿受力一般在100kN以內(nèi)，未超出錨桿的屈服載荷；掘進期間錨索受力在100～120kN之間，小于錨索的拉斷力；錨桿、錨索工作阻力在巷道揭露后初期增長較快，但很快就趨于穩(wěn)定，說明錨桿與錨索支護充分發(fā)揮了控制大斷面巷道圍巖變形的作用。

5 結(jié) 論

1)針對大斷面切眼成功采用邁步掘進一次成巷技術(shù)，避免了后期二次擴幫與設(shè)備安裝混合作業(yè)，減少人員設(shè)備時空交叉、保證了安全生產(chǎn)。

2)針對切眼斷面大、跨度大、支護難度大的問題，采用錨桿索主動支護的技術(shù)比傳統(tǒng)梁棚式被動支護更安全，避免了搬運抬棚的危險，采用錨桿(索)上鋼帶、鋼筋網(wǎng)支護方式，利用圍巖自成拱的作用力，有效的抑制了破碎頂板離層，防止冒頂事故。

3)通過現(xiàn)場監(jiān)測的巷道表面位移量和頂板離層值，效果分析后可知，該支護參數(shù)有效控制了大斷面巷道圍巖變形。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，整個231m長度切眼掘進歷時60d，掘進效率為3.85m/d，從未發(fā)生過安全事故，該技術(shù)的使用提高了掘進效率，保障了安全。