三軟煤層巷道綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角施工及交叉口處支護(hù)工藝

龔禮林

（云南魯銀礦業(yè)有限公司富源縣大則勒煤礦，云南 曲靖 655503）

三軟煤層巷道的支護(hù)是長(zhǎng)期以來(lái)困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題。軟巖是非均質(zhì)、非連續(xù)巖體，具有強(qiáng)度較低、破碎不完整和易變形失穩(wěn)的特征，造成巷道圍巖變形大、支護(hù)損壞嚴(yán)重，致使工程造價(jià)高、工程進(jìn)度緩慢[1-3]。在三軟煤層巷道采用綜掘機(jī)掘進(jìn)施工，在交叉口轉(zhuǎn)角掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)為了便于操作、省事，會(huì)故意擴(kuò)大轉(zhuǎn)角側(cè)的截割寬度，巷道交叉口位于巷道支承壓力疊加區(qū)域，頂板控制面積較大，為礦井巷道支護(hù)體系中的薄弱地帶[4]。大則勒煤礦在三采區(qū)膠帶機(jī)大巷聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)施工期間，遇到兩個(gè)難題：一是轉(zhuǎn)角處綜掘機(jī)直角轉(zhuǎn)彎困難，二是綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角后形成較大的抹角斷面導(dǎo)致支護(hù)困難。

1 工程概況

大則勒煤礦三采區(qū)布置于礦井南冀，主要開(kāi)采9b、13煤層。9b煤層與13煤層間距平均值為31.09 m。9b 煤層厚度0.89～6.02 m，平均厚2.73 m，結(jié)構(gòu)為鱗片狀及粉末狀，含一層厚度0.10～0.25 m 黏土巖夾矸，普遍含泥巖夾石，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全區(qū)可采的較穩(wěn)定中厚煤層，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.21；直接頂為灰色泥質(zhì)粉砂巖夾菱鐵巖薄層，局部為細(xì)砂巖，厚度為0.53～11.27 m，平均5.99 m，堅(jiān)固性系數(shù)f=3.8；直接底為泥巖或粉砂巖，厚度1.08～12.61 m，平均4.89 m，堅(jiān)固性系數(shù)f=3.1。13 煤層厚度0.45～2.78 m，平均厚1.12 m，不含夾矸，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全區(qū)大部可采的不穩(wěn)定薄煤層，堅(jiān)固性系數(shù)f= 0.20；直接頂為粉砂巖、泥巖，中厚層狀，頂部0.35 m 為黑色泥巖，0.71～9.21 m，平均4.99 m，堅(jiān)固性系數(shù)f=2.8；直接底為淺灰色泥巖，夾團(tuán)塊狀菱鐵質(zhì)粉砂巖，1.02～14.43 m，平均5.96 m，堅(jiān)固性系數(shù)f=2.9（注：以上f值根據(jù)煤礦《生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告》中“巖石單向極限抗壓強(qiáng)度值”換算）。在實(shí)際揭露中，巖層中常含有高嶺土泥巖、碳質(zhì)泥巖，高嶺土泥巖厚度0～0.6 m，碳質(zhì)泥巖厚度0～0.2 m。高嶺土泥巖受潮后易膨脹、軟化，穩(wěn)定性較差，主采煤層屬于典型的三軟煤層。主采煤層柱狀圖見(jiàn)圖1。

圖1 9b、13 煤地層柱狀圖

三采區(qū)膠帶機(jī)大巷、三采區(qū)單軌吊大巷和三采區(qū)回風(fēng)大巷位于井田南冀，走向223°；三采區(qū)膠帶機(jī)大巷布置于13 煤層底板下部，距13 煤層底板平均3 m。按煤礦采掘接續(xù)計(jì)劃，三條巷道向南延伸，穿過(guò)一采區(qū)邊界后至三采區(qū)+1500 m 水平既定位置，布置三采區(qū)。在膠帶機(jī)大巷、回風(fēng)大巷均已穿過(guò)一采區(qū)邊界，延伸至200 m 位置后，需掘聯(lián)絡(luò)巷將膠帶機(jī)大巷與單軌吊大巷聯(lián)通以解決三條巷道的通風(fēng)和材料運(yùn)輸。三采區(qū)膠帶機(jī)大巷、三采區(qū)單軌吊大巷、聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)直墻半圓拱斷面，凈高3.2 m，凈寬4.2 m；三采區(qū)回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)直墻半圓拱斷面，凈高2.5 m，凈寬3.6 m。巷道支護(hù)方式為29U 型鋼U 型棚、1.2 m×0.2 m 鋼帶、Φ22 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋335 號(hào)螺紋錨桿、2.0 m×1.0 m 金屬網(wǎng)噴漿支護(hù)。

2 轉(zhuǎn)角處施工工藝選擇

原掘進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)角處通常改用炮掘。炮掘優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備配備較少，施工靈活，無(wú)需增大轉(zhuǎn)角處巷道斷面；缺點(diǎn)是施工進(jìn)度慢，爆破后對(duì)巷道圍巖的破壞影響較大，巷道容易變形，容易發(fā)生冒頂事故。如果采用綜掘機(jī)施工，優(yōu)點(diǎn)是施工進(jìn)度快，對(duì)巷道圍巖影響較??；缺點(diǎn)是掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎困難，巷道轉(zhuǎn)角處斷面較大。本次施工考慮到圍巖的性質(zhì)，為了提高工效，減小施工對(duì)圍巖的影響，并且為今后類似施工積累經(jīng)驗(yàn)，決定選擇綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角施工。

3 綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角施工

3.1 設(shè)備配置

三采區(qū)膠帶輸送機(jī)大巷掘進(jìn)施工采用一臺(tái)三一重工EBZ160 半煤巖型綜掘機(jī)，機(jī)身長(zhǎng)10.1 m，鏟板寬3 m，機(jī)身高1.9 m；配套一臺(tái)DZQ80/35/15 型橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)，總長(zhǎng)32 m，寬1.35 m，高1.24 m，輸送量250 t/h。在聯(lián)絡(luò)巷轉(zhuǎn)角處施工時(shí)，膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)無(wú)法使用，將綜掘機(jī)后牽引及膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)臨時(shí)拆除，安裝一臺(tái)SGB620/40T 型刮板運(yùn)輸機(jī)作為轉(zhuǎn)載運(yùn)輸。

3.2 確定轉(zhuǎn)彎截割曲線

綜掘機(jī)機(jī)身長(zhǎng)達(dá)10.1 m（不含二運(yùn)皮帶），如果轉(zhuǎn)彎半徑太小，不但綜掘機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)彎，截割頭和機(jī)尾還會(huì)損壞支架等；如果轉(zhuǎn)彎半徑太大，則交叉口處斷面較大，支護(hù)跨距加大，頂板支護(hù)難度就會(huì)增大。經(jīng)煤礦工程技術(shù)人員研究后，采用CAD 繪圖軟件模擬[5]綜掘機(jī)轉(zhuǎn)彎方法確定巷道轉(zhuǎn)彎截割曲線，按截割曲線確定綜掘機(jī)每循環(huán)截割寬度。巷道向右轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎巷道外側(cè)保留0.3 m 的富余空間，以保證綜掘機(jī)的前臂、機(jī)尾不刮蹭巷幫支護(hù)。CAD建模時(shí)，以聯(lián)絡(luò)巷轉(zhuǎn)角外邊線退回一臺(tái)綜掘機(jī)位置為轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)，每前進(jìn)1 m，綜掘機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)角極限的標(biāo)準(zhǔn)：左側(cè)機(jī)尾、機(jī)頭不超過(guò)0.3 m 線，直到綜掘機(jī)完全轉(zhuǎn)入聯(lián)絡(luò)巷止，綜掘機(jī)右側(cè)邊線形成一條曲線，此曲線向外偏移0.3 m 以保證綜掘機(jī)右側(cè)有富余空間，偏移后的曲線即為截割曲線。如圖2。

圖2 聯(lián)絡(luò)巷交叉口綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角模型圖（m）

3.3 轉(zhuǎn)角掘進(jìn)施工工藝及方法

3.3.1 調(diào)整轉(zhuǎn)角段的巷道斷面

轉(zhuǎn)角交叉口處設(shè)計(jì)為直墻半圓拱斷面，存在三個(gè)問(wèn)題：1）交叉口處巷頂?shù)膱A拱交叉難以成形，容易超挖或欠挖；2）采用半圓拱U 型棚支護(hù)，異形棚規(guī)格較多，材料加工困難；3）在交叉口處需采用支承梁跨梁，而U 型棚跨梁搭接施工難度較大。為便于綜掘機(jī)操作、支護(hù)材料的加工和支護(hù)施工，進(jìn)入交叉位置后，巷道由原來(lái)的直墻半圓拱斷面改為矩形斷面，巷寬由截割曲線量得，巷高確定為2.8 m。

3.3.2 分兩次截割轉(zhuǎn)角成巷

CAD 建模繪出轉(zhuǎn)角曲線后，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出綜掘機(jī)開(kāi)口位置。考慮到巷道巖層較松軟，為了確保支護(hù)可靠性和施工安全，計(jì)劃分兩次進(jìn)行截割轉(zhuǎn)角成巷：第一次截割按原方位掘進(jìn)12 m，前6 m 巷道寬度由4.2 m 逐次增加至6.18 m；后6 m 掘?qū)捑鶠?.18 m。第一次截割完成后，需處理第二次截割開(kāi)口處的支護(hù)，在開(kāi)口處設(shè)一架雙棚，支承原已打的7 架棚梁，再拆除原棚的棚腿，即可調(diào)整綜掘機(jī)進(jìn)行第二次截割。第一、第二次截割寬度如圖3。

圖3 聯(lián)絡(luò)巷交叉口綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角截割示意圖（m）

綜掘機(jī)截割每循環(huán)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)寬度和高度進(jìn)刀，超挖和欠挖控制在0.1 m 以內(nèi)。綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角施工時(shí)，制定了相應(yīng)安全技術(shù)措施，為了保證截割質(zhì)量和施工安全，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）綜掘機(jī)操作控制室在機(jī)身左側(cè)，本次向右轉(zhuǎn)彎，視線受阻，在截割施工時(shí)，需要有輔助人員現(xiàn)場(chǎng)指揮，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員應(yīng)盡量位于司機(jī)視線范圍內(nèi)，距離機(jī)器不得小于5 m；2）工程技術(shù)人員在每次截割前做好現(xiàn)場(chǎng)截割線標(biāo)記，而綜掘機(jī)司機(jī)要清楚作業(yè)點(diǎn)的截割尺寸，避免超挖或欠挖，避免機(jī)器碰壞工字鋼支護(hù)；3）綜掘機(jī)擺機(jī)時(shí)，通常操作綜掘機(jī)前進(jìn)、后退和用支撐截割臂擺動(dòng)履帶配合來(lái)完成，這一操作程序相對(duì)復(fù)雜，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的綜掘機(jī)司機(jī)操作。

3.3.3 采用刮板機(jī)替換二運(yùn)皮帶

轉(zhuǎn)角開(kāi)始后，將綜掘機(jī)后牽引及二運(yùn)皮帶臨時(shí)拆除，安裝一臺(tái)SGB620/40T 型刮板運(yùn)輸機(jī)，機(jī)尾安設(shè)于綜掘機(jī)后，在綜掘機(jī)后部設(shè)一自制的溜槽，將綜掘機(jī)出矸卸到刮板機(jī)上。在轉(zhuǎn)角到極限位置時(shí)，綜掘機(jī)出矸無(wú)法卸到刮板機(jī)上，這時(shí)需要人工輔助出矸。在人工出矸時(shí)，必須制定好安全措施，杜絕人工出矸與綜掘機(jī)同時(shí)作業(yè)。

4 轉(zhuǎn)角交叉口處支護(hù)工藝

三軟煤層頂?shù)装鍘r層松軟，受力后容易破碎，無(wú)法與被動(dòng)支護(hù)結(jié)合[6]。針對(duì)成巷初期來(lái)壓快、變形量大，成巷后期巷道變形具有明顯的蠕變特征[7-10]，巷道自穩(wěn)能力差，采用單一的支護(hù)方式很難控制圍巖的變形，因此考慮采用主、被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)方式。

4.1 轉(zhuǎn)角交叉口聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

進(jìn)入轉(zhuǎn)角后，巷道斷面由直墻半圓拱改為矩形，鋼棚支護(hù)也由U 型棚支護(hù)改為工字鋼平抬棚支護(hù)。交叉口巷道寬度最大達(dá)到6.4 m，為確保支護(hù)可靠、施工安全，設(shè)計(jì)采用管棚超前支護(hù)、錨桿、16#工字鋼抬棚、錨索梁、噴漿聯(lián)合支護(hù)方式。

4.1.1 管棚超前支護(hù)

松散破碎地層巷道施工中，管棚超前支護(hù)的作用在于加固圍巖，避免巖塊冒落，保證巷道穩(wěn)定和施工安全，同時(shí)限制圍巖進(jìn)一步松動(dòng)，防止圍巖過(guò)度變形、頂板過(guò)度下沉，為后期二次支護(hù)創(chuàng)造有利條件[11]。進(jìn)入轉(zhuǎn)角施工后，每循環(huán)工字鋼抬棚支護(hù)到迎頭再打一排管棚，管棚規(guī)格為Φ40 mm×2000 mm 黑鐵管，厚度不小于3 mm。管棚布置密集，有利于防止漏頂和崩塌，但過(guò)于密集布置造成施工困難和材料浪費(fèi)，最重要的是可能導(dǎo)致接下來(lái)的錨桿、錨索無(wú)法施工。根據(jù)以往管棚施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確定管棚間距為0.2 m，排距1 m，隔一架抬棚打一排管棚。如遇特別破碎地段，管棚間距適當(dāng)加密，直至轉(zhuǎn)角過(guò)完。超前管棚支護(hù)如圖4。

圖4 工字鋼抬棚支護(hù)、管棚超前支護(hù)示意圖（m）

4.1.2 錨桿支護(hù)

錨桿選用Φ22 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋335號(hào)螺紋鋼筋，錨桿以矩型形式布置。以巷道中心線為準(zhǔn)，垂直巷道中線向巷道兩幫分別布置錨桿，轉(zhuǎn)角處頂、幫的錨桿隨巷寬依次增加，錨桿間排距1.0 m×1.0 m，采用K2335型、Z2360型加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固劑，每根錨桿各一支。錨桿托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm。錨桿錨固力和螺母扭矩符合《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范（GB 50086-2015）》規(guī)定。

4.1.3 工字鋼抬棚支護(hù)

選用16#礦工鋼抬棚支護(hù)，頂梁長(zhǎng)4.2～6.4 m，腿長(zhǎng)3 m（入底基礎(chǔ)0.2 m），底梁根據(jù)兩棚腿內(nèi)間距實(shí)測(cè)確定，棚距0.5 m（中對(duì)中）。由于采用了分兩次截割成巷，在進(jìn)入第二次截割前，需拆除第二次開(kāi)口處的棚腿。此處共有7 架棚梁，支承應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)在第二次開(kāi)口處設(shè)并排雙棚，支承原已打的7 架棚梁，再拆除原棚的棚腿。架工字鋼棚嚴(yán)格按循環(huán)施工，掘一支一，即綜掘機(jī)進(jìn)尺1 m，必須架棚兩架，不允許長(zhǎng)時(shí)間大面積空頂。工字鋼支護(hù)應(yīng)保證施工質(zhì)量，棚腿與頂梁、底梁之間接口接合嚴(yán)密，棚腿不得打在浮矸上，不得歪扭、傾斜、邁步。李金奎等學(xué)者[12]提出三軟煤層巷道底鼓現(xiàn)象較為明顯，應(yīng)力集中在巷道底板兩側(cè)的區(qū)域，因此，在工字鋼棚支護(hù)施工時(shí)，必須嚴(yán)格按要求安裝底梁，以避免巷道發(fā)生底鼓。工字鋼抬棚支護(hù)布置及規(guī)格詳見(jiàn)圖4。

4.1.4 錨索梁支護(hù)

架棚后打錨索梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采用14#U 型槽鋼，制作4 根2.8 m 長(zhǎng)、3 根3.2 m 長(zhǎng)的錨索梁，兩端打上錨孔，每根錨索梁連接2 根錨索。錨索規(guī)格為Φ17.5 mm×6300 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，共需打設(shè)14 根錨索，每根錨索使用5 支加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固劑（2 支K2335、3 支Z2360）。錨索梁支護(hù)布置詳見(jiàn)圖5。

圖5 聯(lián)絡(luò)巷交叉口錨索梁加強(qiáng)支護(hù)示意圖（m）

4.1.5 噴射混凝土支護(hù)

綜掘機(jī)完成轉(zhuǎn)角交叉口截割、工字鋼抬棚支護(hù)、錨索梁支護(hù)后，即進(jìn)行噴漿作業(yè)。噴漿作業(yè)前，檢查金屬網(wǎng)、鋼帶布置均勻，搭接符合要求，空頂、空幫處要用矸石、砂袋等不燃材料填實(shí)。噴射砂漿配合比：每方砂漿制作需42.5R 水泥560 kg，中砂0.52 m3，細(xì)砂0.4 m3，水0.4 m3（根據(jù)實(shí)際噴射效果進(jìn)行適量增減），速凝劑18 kg。噴射厚度不小于100 mm。

4.2 轉(zhuǎn)角交叉口聯(lián)合支護(hù)順序

1）進(jìn)入轉(zhuǎn)角交叉口開(kāi)始打管棚超前支護(hù)。2）按循環(huán)進(jìn)度，每掘進(jìn)1 m，布置好金屬網(wǎng)打錨桿支護(hù)。3）工字鋼抬棚支護(hù)（每循環(huán)兩架）。4）轉(zhuǎn)角結(jié)束后，補(bǔ)打錨索梁，對(duì)交叉口抬棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。5）錨索梁施工完成后，進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)。

4.3 轉(zhuǎn)角交叉口巷道位移量監(jiān)測(cè)

轉(zhuǎn)角交叉口完工后，在該處設(shè)置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道兩幫和頂?shù)装逡平?，監(jiān)測(cè)時(shí)間3 個(gè)月，每15 d 監(jiān)測(cè)一次。3 個(gè)月后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，巷道兩幫和頂?shù)装逯g的距離都發(fā)生了移近，在支護(hù)后第一個(gè)月內(nèi)移近幅度較大，移近速度較快，后期移近幅度較小。在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，兩幫的移近量最大為24 mm，頂?shù)装宓囊平孔畲鬄?3 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道圍巖形變與破壞控制在允許范圍內(nèi)。巷道變形位移量詳見(jiàn)圖6。

圖6 聯(lián)絡(luò)巷交叉口處巷道位移量曲線

5 結(jié)論

本次綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角掘進(jìn)、聯(lián)合支護(hù)施工按設(shè)計(jì)方案成功實(shí)施，日循環(huán)進(jìn)度可達(dá)5 m。相較以往轉(zhuǎn)角改用炮掘日循環(huán)進(jìn)度2～3 m，提高了工效，而且避免了以往進(jìn)入轉(zhuǎn)角、交叉口處采用炮掘?qū)е碌膰鷰r破壞嚴(yán)重、交叉口處巷道來(lái)壓明顯、巷道變形嚴(yán)重等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的觀測(cè)，巷道變形量較小，未出現(xiàn)噴體嚴(yán)重破裂、支架變形、底鼓等現(xiàn)象。實(shí)踐證明，在該礦三軟煤層軟巖巷中采用綜掘機(jī)轉(zhuǎn)角掘進(jìn)、交叉口處巷道采用聯(lián)合支護(hù)方式是可行的。該工藝能夠提高掘進(jìn)工效，保證巷道支護(hù)質(zhì)量，為今后類似施工積累了經(jīng)驗(yàn)。