煤礦開(kāi)采技術(shù)與掘錨支護(hù)技術(shù)的分析

＊康二愣

（柳林縣安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心 山西 033300）

就煤礦企業(yè)而言，要在供給端改革的背景下進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，則需在生產(chǎn)階段重視煤礦開(kāi)采技術(shù)和掘錨支護(hù)技術(shù)，積極探究技術(shù)優(yōu)化與改進(jìn)方案。由此可見(jiàn)，深入研究開(kāi)采技術(shù)與掘錨支護(hù)技術(shù)對(duì)未來(lái)煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.巷道頂板錨桿支護(hù)技術(shù)理論

(1)懸吊理論

懸吊技術(shù)是針對(duì)巷道頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱的巖層進(jìn)行懸吊處理，從而確保頂部巖層始終處于應(yīng)力極限之下，并借助錨索錨桿形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提高巖層各部分強(qiáng)度。另外，在懸吊施工過(guò)程中利用錨桿支護(hù)方案，所懸吊巖體質(zhì)量應(yīng)低于整體結(jié)構(gòu)的實(shí)際錨固力，在作業(yè)過(guò)程中應(yīng)確保錨索在頂板巖層中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)組合梁理論

圖1 組合梁支護(hù)技術(shù)

組合梁技術(shù)是在開(kāi)采加裝錨桿與錨索過(guò)程時(shí)，通過(guò)兩裝置構(gòu)成組成梁，使用組合梁進(jìn)行頂部支護(hù)。這種支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)巖層中存在支護(hù)設(shè)備時(shí)，各巖層之間的內(nèi)部應(yīng)力大小將與錨固力成正比，從而在巖層間形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。另外，在利用錨桿與錨索構(gòu)成組合梁后，頂部巖層結(jié)構(gòu)也具備一定的抗剪性，從而對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)具有較好的抗性。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)組合梁的梁內(nèi)極限應(yīng)力越小時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果也更為優(yōu)秀。

(3)減跨理論

該技術(shù)主要在掘錨與煤礦巷道頂板進(jìn)行支護(hù)時(shí)，在穩(wěn)定巖層中安裝支護(hù)裝置并進(jìn)行末端固定，圍繞錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，按照一定規(guī)則對(duì)頂板劃分，確保整體頂板被分配為數(shù)個(gè)小跨，隨后在此結(jié)構(gòu)上建設(shè)連續(xù)墻，形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，避免巖層脫離問(wèn)題出現(xiàn)。

(4)最大水平應(yīng)力理論

結(jié)合相關(guān)研究可知，在礦井底部巖層中，應(yīng)力分布情況具備一定的規(guī)律性，部分巖層的內(nèi)部剪切力主要集中在巖層層理兩側(cè)。進(jìn)而在內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力作用下，巖層離層、錯(cuò)位問(wèn)題較為常見(jiàn)，同時(shí)在底部礦道兩側(cè)出現(xiàn)巖層收縮等。為消除上述問(wèn)題，技術(shù)人員應(yīng)積極采用錨桿與錨索對(duì)巖層的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)固，消除巖層結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題。該方案主體結(jié)構(gòu)由錨桿與錨索組成，借助錨桿與錨索增強(qiáng)巖層的抗剪力以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而形成穩(wěn)固作用?？傊_保掘錨支護(hù)技術(shù)發(fā)揮對(duì)應(yīng)效果，設(shè)計(jì)人員需首先明確巖層的實(shí)際厚度與結(jié)構(gòu)特性，以此確定對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案，發(fā)揮最大支護(hù)效果。同時(shí)，在掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)巖層應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)巖層厚度、應(yīng)力條件變化隨時(shí)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整，從而保證實(shí)際支護(hù)效果。在礦工的實(shí)際施工過(guò)程中，可能出現(xiàn)支護(hù)裝置安裝不到位或是巖層結(jié)構(gòu)破損問(wèn)題，影響采礦進(jìn)度。針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先獲取頂板巖層地質(zhì)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案論證與計(jì)算，提高保證掘錨支護(hù)的整體效果。

2.煤礦開(kāi)采掘錨支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)及具體落實(shí)方案

(1)支護(hù)設(shè)計(jì)總體原則

設(shè)計(jì)人員在調(diào)整掘錨支護(hù)布置過(guò)程中，必須注意頂板彎曲應(yīng)力極限，合理控制支護(hù)應(yīng)力，以免周邊巖體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)分離。在部分礦區(qū)中，各個(gè)巖層之間存在一定數(shù)量的微小裂隙，在大跨度開(kāi)采過(guò)程中，可能造成巖體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)片狀離層現(xiàn)象。另外，若頂板自身質(zhì)量較高，將導(dǎo)致頂板內(nèi)部的彎曲應(yīng)力逐漸增加，危及后續(xù)作業(yè)。除此之外，在方案制定中若缺少巷道跨度、頂板質(zhì)量等數(shù)值的精確計(jì)算，則可能影響支護(hù)方案的實(shí)際效果，同時(shí)在具體施工操作過(guò)程中，可能導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)裝置對(duì)頂板、巖層產(chǎn)生額外壓力，使巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸下降，頂板剛度與強(qiáng)度降低，導(dǎo)致離層冒落。在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)高度重視此類問(wèn)題。其次在規(guī)劃方案期間應(yīng)重視巷道各位置之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。在少數(shù)礦井中，受巷道規(guī)劃方案影響，巷道周邊區(qū)域的巖層內(nèi)部將出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，當(dāng)周邊巖體結(jié)構(gòu)超出強(qiáng)度限承拉時(shí)，則礦道周邊的巖體結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)崩塌。因此在底部支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格獲取目標(biāo)區(qū)域巖層的應(yīng)力數(shù)值，并結(jié)合巷道相關(guān)數(shù)據(jù)制定針對(duì)性方案，以保證最終支護(hù)效果。

(2)掘錨機(jī)、連采機(jī)掘進(jìn)與錨桿機(jī)支護(hù)

①掘錨機(jī)掘進(jìn)

在規(guī)劃掘進(jìn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可采用兩類作業(yè)形式開(kāi)展，即截割方式和截割循環(huán)。第一類作業(yè)形式，當(dāng)運(yùn)用掘錨機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，可確保井巷結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。應(yīng)用截割循環(huán)后，在截割作業(yè)過(guò)程中，操作員應(yīng)操作截割頭水平上升，并將切割頭轉(zhuǎn)移至井巷頂板位置；其次，技術(shù)人員應(yīng)做好各類設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題檢查工作，確保設(shè)備良好后以1m深為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)；隨后技術(shù)人員在截割到底板，需進(jìn)行截割頭的復(fù)位操作，并對(duì)作業(yè)面剩余煤體開(kāi)展切割作業(yè)；最后，采用機(jī)械方式收集余煤，復(fù)位作業(yè)面的各類設(shè)備，使其直接觸及井巷頂板，隨后開(kāi)始進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

②連采機(jī)掘進(jìn)

在開(kāi)展連采機(jī)掘進(jìn)作業(yè)期間，操作員可采用往復(fù)式截割作業(yè)模式。在應(yīng)用截割方案時(shí)，連采機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)必須優(yōu)先分析確定具體進(jìn)刀位置。具體而言，作業(yè)礦工應(yīng)瞄準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)位進(jìn)行進(jìn)刀校準(zhǔn)與操作，在操作時(shí)需將操作點(diǎn)位向左進(jìn)行微調(diào)；操作員在截割深度到達(dá)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后即可退機(jī)，這一工序即為切槽；隨后，操作人員應(yīng)該將連采機(jī)進(jìn)行重定位，將其轉(zhuǎn)移至井巷右側(cè)，并開(kāi)展截割作業(yè)，此一工序即為采垛。在應(yīng)用截割循環(huán)作業(yè)方式后，操作員應(yīng)用連采機(jī)截割時(shí)，整體操作工序相較掘錨機(jī)掘進(jìn)難度較高。具體而言，連采機(jī)截割循環(huán)應(yīng)按照如下要求開(kāi)展：第一，操作員應(yīng)微調(diào)伸縮截割頭，并運(yùn)達(dá)井巷頂板處于水平位置，并開(kāi)展對(duì)應(yīng)的設(shè)備安全性檢查工作，隨后進(jìn)行切割作業(yè)；第二，操作員應(yīng)在切割后對(duì)殘余煤皮進(jìn)行清除處理；第三，操作員應(yīng)對(duì)截割頭進(jìn)行重新定位，隨后對(duì)煤層進(jìn)行切割；第四，操作人員循環(huán)上兩項(xiàng)步驟進(jìn)行往復(fù)式切割，直至開(kāi)采完畢，即順利完成割煤作業(yè)；第五，操作員應(yīng)優(yōu)先清理開(kāi)采作業(yè)后的剩余散碎煤炭；第六，施工班組需操作截割頭上揚(yáng)，直至接觸到預(yù)定規(guī)劃的頂板點(diǎn)位后停止，并采取往復(fù)式割煤作業(yè)。在煤層采掘完畢后，司機(jī)應(yīng)操作連采機(jī)進(jìn)行后移操作，為支護(hù)作業(yè)小組預(yù)留施工作業(yè)空間。

③錨桿機(jī)支護(hù)

圖2 頂板支護(hù)

在完成上述掘進(jìn)作業(yè)內(nèi)容后，錨桿機(jī)方可開(kāi)始進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，以此穩(wěn)固整體井巷結(jié)構(gòu)。具體而言，錨桿機(jī)的基本工序主要由以下步驟組成：

第一，操作員首先進(jìn)行定位。為后續(xù)工序作業(yè)順利開(kāi)展，操作員在打孔前需根據(jù)激光定位對(duì)錨桿機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)操作，使錨桿機(jī)處于支護(hù)作業(yè)面處于正中央，隨后技術(shù)人員將主托架轉(zhuǎn)移至工作面以外2～5m位置以免影響后續(xù)作業(yè)。另外，工作人員應(yīng)合理規(guī)劃錨桿支護(hù)點(diǎn)位，在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下，應(yīng)委派小組提前進(jìn)行位置標(biāo)記，同時(shí)在點(diǎn)位兩側(cè)注明深度值。

第二，開(kāi)展鉆孔操作。首先操作員應(yīng)在鉆機(jī)中裝設(shè)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的鉆桿，并確保鉆機(jī)與預(yù)定的鉆孔位置成交錯(cuò)分布，并針對(duì)預(yù)定標(biāo)記采取多次復(fù)查，檢查無(wú)誤后應(yīng)通過(guò)手動(dòng)操作使鉆頭逐漸抵近預(yù)定鉆孔點(diǎn)位，這一過(guò)程中應(yīng)注重采用小幅度操作，均勻施加鉆頭加力，隨后逐漸提高給進(jìn)速度。在初步鉆孔完畢之后，操作員應(yīng)更換更長(zhǎng)的鉆桿，進(jìn)行后續(xù)鉆孔操作，確保鉆孔深度與圖紙規(guī)劃相符合。

第三，手動(dòng)操作錨桿支護(hù)作業(yè)。在鉆孔順利完成后，需采用定深裝置進(jìn)行測(cè)算，確保滿足要求后方可進(jìn)行錨桿安裝。首先，操作員將錨桿混入攪拌器，操作鉆機(jī)瞄準(zhǔn)標(biāo)定鉆孔點(diǎn)位，并采用機(jī)械方式進(jìn)行填藥，同時(shí)靜止數(shù)秒鐘，直至藥卷落入鉆孔底部，然后開(kāi)展周期性攪拌作業(yè)。最后，上述操作完成后，確保托盤(pán)與頂板相互重合，此步驟操作時(shí)長(zhǎng)應(yīng)維持在20s左右。

第四，對(duì)錨桿整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。需要注意的是，此步驟需在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)展。當(dāng)錨桿孔內(nèi)的樹(shù)脂成型穩(wěn)固后，鉆機(jī)應(yīng)馬上將錨桿插入進(jìn)行作業(yè)，確保整體結(jié)構(gòu)迅速形成緊固狀態(tài)，在此操作過(guò)程中，操作員應(yīng)根據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)維持設(shè)備的扭矩力和錨固力。當(dāng)各位置錨桿均完成加固作業(yè)時(shí)，操作員需要將鉆機(jī)移向下方，重新規(guī)劃鉆架位置，并根據(jù)規(guī)劃方案進(jìn)行后續(xù)錨桿作業(yè)，并根據(jù)預(yù)定方案確保錨桿均打設(shè)完成，此時(shí)說(shuō)明支護(hù)工作完成。

3.工程實(shí)例

某煤礦井巷凈寬6.0m，凈高5.25m，總長(zhǎng)64.23m。在作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)在井巷外22.45m位置進(jìn)行底煤預(yù)留，并以6°為標(biāo)準(zhǔn)角度值進(jìn)行爬坡掘進(jìn)，在掘進(jìn)至標(biāo)記點(diǎn)位時(shí)則轉(zhuǎn)換為水平掘進(jìn)方案。井巷掘工作完畢后，初步坑道數(shù)據(jù)如下：凈寬6.2m，凈高3.1m，底煤厚1.65m；繼續(xù)掘進(jìn)到預(yù)定方位后，由開(kāi)口沿底拉底煤，作業(yè)到規(guī)劃高度后進(jìn)行掘錨機(jī)、連采機(jī)掘進(jìn)與錨桿機(jī)支護(hù)。

(1)掘錨機(jī)掘進(jìn)

①截割操作

施工班組操作掘錨機(jī)時(shí)，應(yīng)做到井巷的一次掘進(jìn)成型。并根據(jù)激光劃定的目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行煤壁精確切割，以此完成預(yù)定采煤切割作業(yè)。

②截割循環(huán)

在引入掘錨機(jī)截割作業(yè)時(shí)，操作員應(yīng)首先將伸縮截割頭與截割頭調(diào)整至井巷頂板位置，在安全檢查完畢后，根據(jù)預(yù)定單位深度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采煤操作，合理控制整體采煤操作工序。在設(shè)備到達(dá)預(yù)定點(diǎn)位后，對(duì)截割頭進(jìn)行重新定位，并調(diào)整至煤層底部繼續(xù)循環(huán)操作；收集散碎煤炭后，對(duì)設(shè)備的割頭進(jìn)行復(fù)位操作，并上揚(yáng)割頭直至觸及頂部巖層。

(2)連采機(jī)掘進(jìn)

①截割方式

操作員操作時(shí)需瞄準(zhǔn)給定的激光點(diǎn)位，并在瞄準(zhǔn)點(diǎn)位左側(cè)進(jìn)行偏移進(jìn)刀；在截割操作完成后，需采取手動(dòng)方式進(jìn)行復(fù)位；隨后操作員調(diào)整開(kāi)采設(shè)備進(jìn)行收尾作業(yè)，對(duì)分布各處的小塊煤層進(jìn)行作業(yè)。

②截割循環(huán)

進(jìn)行截割操作時(shí)，操作員需首先抬升設(shè)備，對(duì)各線路以及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致檢查；同時(shí)對(duì)此前切割預(yù)留的約200mm的煤皮進(jìn)行清理；隨后，操作員重新調(diào)整截割頭，進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)，采深則根據(jù)預(yù)定規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)確定；操作員則操作設(shè)備開(kāi)展底部作業(yè)，根據(jù)規(guī)劃作業(yè)需求進(jìn)行后續(xù)截割，直至完成規(guī)定截割動(dòng)作；完成上述步驟后，需操作設(shè)備收集散煤，采集完畢后，操作設(shè)備進(jìn)行上揚(yáng)，使截割頭直接觸及巷頂板位置，進(jìn)行下一循環(huán)。經(jīng)過(guò)循環(huán)操作后，井巷工作面整體進(jìn)深約為620mm，如此循環(huán)，在最后一個(gè)循環(huán)完成后，連采機(jī)退出，采用錨桿機(jī)開(kāi)始支護(hù)。

(3)錨桿機(jī)支護(hù)

①定位

在鉆孔前，應(yīng)手動(dòng)操作鉆機(jī)瞄準(zhǔn)激光紅點(diǎn)位置，并將鉆機(jī)轉(zhuǎn)移至坑道軸線處，此后將主托架拆除，并手動(dòng)運(yùn)送至工作面以外2～5m位置以免影響后續(xù)作業(yè)。再根據(jù)錨桿布置的設(shè)計(jì)間距和設(shè)計(jì)排距離，標(biāo)記錨桿打設(shè)具體位置，同時(shí)刻上鉆進(jìn)深度值。

②鉆孔

將長(zhǎng)度為1m的鉆桿安裝在鉆機(jī)作業(yè)位置，重新調(diào)整鉆頭與鉆孔預(yù)定點(diǎn)位的相互位置，檢查完畢后進(jìn)行鉆孔操作，確保鉆頭循序漸進(jìn)，接觸后小幅給進(jìn)，形成小孔，并逐漸增加給進(jìn)速度，隨后更換2m的鉆桿進(jìn)行深度鉆進(jìn)，確保鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃要求。本工程錨桿鉆孔設(shè)計(jì)深度為1800mm，因此在作業(yè)過(guò)程中應(yīng)謹(jǐn)慎鉆進(jìn)。

③錨桿安裝

鉆孔結(jié)束后需進(jìn)行定位作業(yè)，并開(kāi)始安裝錨桿。工作人員應(yīng)對(duì)鉆孔進(jìn)行深度檢查，確保滿足要求后方可進(jìn)行錨桿安裝。首先，操作員將錨桿放置在攪拌器中，調(diào)整鉆機(jī)位置與預(yù)定鉆孔口附近，在鉆孔中放進(jìn)藥卷，提升鉆機(jī)確保藥卷進(jìn)入到鉆孔底部，隨后進(jìn)行8s左右的攪拌工作。

4.結(jié)束語(yǔ)

目前，煤礦開(kāi)采、掘錨與支護(hù)技術(shù)逐漸走向集成化發(fā)展，各部件以及作業(yè)工序均可由一體化系統(tǒng)及其配套設(shè)施完成，施工作業(yè)人員僅需負(fù)責(zé)操縱、控制和監(jiān)督。這一發(fā)展態(tài)勢(shì)使得施工的整體效率顯著提高，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且降低了災(zāi)害發(fā)生概率，并實(shí)現(xiàn)了同步開(kāi)展掘進(jìn)、錨護(hù)平行作業(yè)，從而降低整體支護(hù)作業(yè)的成本消耗，達(dá)到保證煤礦開(kāi)采安全、效率的目標(biāo)。