大采高特大斷面開切眼一次成巷技術(shù)

武立文

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)河?xùn)|煤礦，山西靈石031300)

河?xùn)|煤礦39(10)08綜采工作面是汾西礦業(yè)集團(tuán)首個(gè)大采高雙層煤聯(lián)合開采工作面，聯(lián)合開采石炭系太原組9號、10號煤層。9號煤平均采高1.1m，10號煤平均采高4.0m，其間含1.3m厚頁巖夾矸層，經(jīng)論證采用大采高聯(lián)合開采工藝，一次性將9號和10號兩層煤全部回收，以提高煤炭采出率，增加礦井產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

為滿足綜采設(shè)備的順利安裝，39(10)08大采高工作面切眼斷面設(shè)計(jì)尺寸:毛寬9.2m，毛高4.1m，掘進(jìn)斷面37.72m2。為此，結(jié)合礦上實(shí)際條件，如何運(yùn)用EBZ220(G)型綜掘機(jī)快速、安全地將切眼貫通，成為順利實(shí)施大采高聯(lián)合開采工藝的關(guān)鍵。河?xùn)|礦根據(jù)多年來切眼掘進(jìn)和支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，采用天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部提供的技術(shù)參數(shù)，運(yùn)用兩次交替掘進(jìn)、一次成巷的施工工藝，安全、高效地完成了切眼掘進(jìn)支護(hù)工程。

1 工作面地質(zhì)條件

39(10)08大采高工作面煤層呈層狀結(jié)構(gòu)，硬度大，中等強(qiáng)度，斷口不平整，性脆，兩層煤加夾層總厚度6.4m，傾角為3～6°。9號和10號煤層間夾層為1.3m厚的深灰色頁巖;9號煤之上是平均厚度6.5m的K2灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度高;10號煤底板是0.4m厚的炭質(zhì)頁巖，之下為1.51m的灰色中砂巖。圍巖綜合柱狀見圖1。

2 聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

研究確定，采用高強(qiáng)度樹脂錨桿，配合錨索、W鋼帶和槽鋼的聯(lián)合支護(hù)方案。

圖1 圍巖綜合柱狀

2.1 頂板支護(hù)

頂板支護(hù)按大、小斷面分別設(shè)計(jì)。采用桿體為20號左旋無縱筋螺紋錨桿，長度2.2m;采用1支規(guī)格為MSK2355和1支規(guī)格為MSCK2355樹脂藥卷加長錨固，鉆孔直徑為28mm。采用W鋼帶護(hù)頂，鋼帶規(guī)格為厚度3mm，寬280mm，長度分別為5300mm和3200mm。采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格分別為6000mm×1000mm和3600mm×1000mm。錨桿托盤規(guī)格為130mm×130mm×10mm鋼板。錨桿全部垂直頂板打設(shè)，排距900mm，每排10根錨桿，間距1000mm。采用風(fēng)動(dòng)扳手預(yù)緊，初始預(yù)緊力矩≥300N·m。

錨索材料為φ17.8mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5300mm，鉆孔直徑28mm，采用1支MSCK2555和2支MSK2355樹脂藥卷錨固劑，錨索托板300mm×300mm×16mm，配14號槽鋼，長2200mm。布置方式為:每2排(1800mm)打5根錨索，兩邊2根錨索間距為1800mm，中間3根間距為1500mm，垂直頂板巖層安裝，詳細(xì)支護(hù)設(shè)計(jì)斷面平剖面如圖2所示。錨索必須采用專用的錨索張拉機(jī)具預(yù)緊，預(yù)緊力≥200kN。

圖2 開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)斷面平剖面

2.2 采空區(qū)幫支護(hù)

錨桿形式和規(guī)格與頂板支護(hù)相同，錨固時(shí)采用1支錨固劑，規(guī)格為MSK2355，鉆孔直徑為28mm。W鋼護(hù)板規(guī)格相同，長度為400mm。采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格為3600mm×1000mm。錨桿排距900mm，每排4根錨桿，間距1000mm，均垂直巷幫打設(shè)。采用風(fēng)動(dòng)扳手預(yù)緊，初始預(yù)緊力矩≥300N·m。

2.3 工作面幫支護(hù)

工作面幫采用桿體為20號的玻璃鋼錨桿支護(hù)，長度2.0m。W鋼護(hù)板規(guī)格相同，長度為400mm。采用網(wǎng)孔規(guī)格30mm×30mm，網(wǎng)片規(guī)格3600mm×1000mm的塑料網(wǎng)護(hù)幫。錨固方式為樹脂加長錨固，采用 2支錨固劑，規(guī)格分別為 MSK2355，MSCK2355，鉆孔直徑為28mm。錨桿排距900mm，每排4根，間距1000mm，均垂直巷幫打設(shè)。

2.4 頂板加強(qiáng)支護(hù)

頂板加強(qiáng)支護(hù)采用以錨索配合14號槽鋼支護(hù)為主，錨索形式、規(guī)格、錨固方式和上述安裝方式一樣，14號槽鋼長2200mm，距離兩端200mm處開40mm×40mm孔。具體布置方式為:加強(qiáng)支護(hù)的錨索與原設(shè)計(jì)錨索交替安裝，每2排(1800mm)打2根錨索，間距1800mm，垂直頂板巖層鎖緊槽鋼。錨索預(yù)緊力≥200kN。

如果發(fā)現(xiàn)開切眼頂板有顯著變形的情況，需要另外采用單體液壓支柱配合π梁加強(qiáng)支護(hù)，單體液壓支護(hù)型號為DW45－200/110XL，在開切眼中線位置距離左右900mm各架設(shè)1根單體支柱，間距為1800mm，排距為1000mm。單體液壓支護(hù)必須穿鞋戴帽，架設(shè)后必須提供足夠的支撐阻力。

3 施工工藝

3.1 施工工藝的確定

因39(10)08綜采工作面切眼斷面較大，現(xiàn)有的EBZ220(G)型綜掘機(jī)無法一次成型。由于加強(qiáng)支護(hù)的槽鋼處于切眼巷中，考慮到加強(qiáng)支護(hù)的及時(shí)性和可操作程度，又結(jié)合EBZ220(G)型綜掘機(jī)最大定位截割高度為4.5m，定位截割寬度為5.6m，綜合分析后決定把全斷面分成5.7m的大斷面和3.5m的小斷面，分別掘進(jìn)。

掘進(jìn)斷面尺寸確定后，工藝流程的確定又成為一個(gè)難點(diǎn)?？紤]2種方案:方案1，先把大斷面貫通，再掘小斷面，兩次成巷;方案2，大小斷面交替掘進(jìn)，一次成巷。

采用方案1，即二次成巷工藝，首先掘進(jìn)切眼斷面較大部分，待整個(gè)280m長度掘進(jìn)完成后，然后再掘進(jìn)切眼斷面較小部分，圍巖受到二次擾動(dòng)。

采用方案2，即一次成巷工藝，切眼較大斷面掘進(jìn)支護(hù)完成后，隨即掘進(jìn)斷面較小部分，減小甚至避免了二次掘進(jìn)引起的應(yīng)力重疊分布影響。

盡管一次成巷開采空間較大，但及時(shí)支護(hù)可避免圍巖受到二次開挖擾動(dòng)的破壞，更有利于大斷面開切眼穩(wěn)定;雖然二次成巷開采空間相對較小，但兩次成巷時(shí)間太長，大斷面圍巖穩(wěn)定后，受到二次開挖圍巖應(yīng)力重新分布的影響，整個(gè)切眼圍巖穩(wěn)定時(shí)間更長，支護(hù)體受力更加復(fù)雜，不利于開切眼的整體穩(wěn)定，且二次掘進(jìn)工藝繁瑣，時(shí)間跨度太長，不利于快速施工。

綜合考慮掘進(jìn)過程中安全、用時(shí)、用料等因素，本著安全、經(jīng)濟(jì)、快速掘進(jìn)的目的，最終決定用兩次交替掘進(jìn)、一次成巷的施工工藝。

為加快掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，臨時(shí)支護(hù)采用ZLJ－2.5機(jī)載超前支護(hù)進(jìn)行護(hù)頂，錨桿緊固使用QL－750氣動(dòng)扳手，工作面掘進(jìn)時(shí)采用二次成巷的掘進(jìn)方法，第一次先掘上部2.6m高，待初期支護(hù)完畢后，再將掘進(jìn)機(jī)退出工作面掃底，或每次接班后先將上班底掃夠?qū)挾?、高度?/p>

施工工序?yàn)?交接班—工作面掃底出貨、備料、補(bǔ)打滯后頂、幫錨桿 (后期支護(hù))—割煤、補(bǔ)打滯后頂、幫錨桿 (后期支護(hù))—臨時(shí)支護(hù)—永久支護(hù) (前期支護(hù))、補(bǔ)打滯后頂、幫錨桿 (后期支護(hù))、清理—下循環(huán)。

施工頂錨桿時(shí)，初期支護(hù)將兩側(cè)各2根錨桿及時(shí)施工，中間2根錨桿由CMM2－15煤礦用液壓鉆車滯后施工。

施工幫錨桿時(shí)，初期支護(hù)兩幫上部2根錨桿及時(shí)施工，下部2根錨桿采用MQTB65支腿氣動(dòng)式幫錨桿鉆機(jī)滯后施工。

施工錨索時(shí)，初期先布置落山側(cè)錨索，風(fēng)筒側(cè)(及巷中)錨索由CMM2－15煤礦用液壓鉆車滯后施工。

3.2 工藝流程

切眼開口時(shí)，采用大小斷面交替炮掘配合人工攉煤出貨，循環(huán)進(jìn)度為一炮一循環(huán)，隨后永久支護(hù)，其中切眼開口位置兩幫及頂板第1排錨桿距正巷不得大于400mm;當(dāng)進(jìn)尺達(dá)到具備安裝耙斗機(jī)的距離時(shí)，采用炮掘配合耙斗出貨;當(dāng)累計(jì)進(jìn)尺滿足綜掘機(jī)工作所需的距離時(shí)，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)配合耙斗出貨。由于綜掘機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)最大控頂距為2.0m，最小控頂距為0.2m，為充分利用設(shè)備的工作性能，避免一刀一交替造成的工時(shí)浪費(fèi)，并結(jié)合通風(fēng)的需求，綜合分析后決定先掘5.7m的大斷面1.8m(2刀)，永久支護(hù)完畢后，再連續(xù)掘進(jìn)這樣的2個(gè)循環(huán)，累計(jì)進(jìn)尺5.4m，然后將綜掘機(jī)退回原掘進(jìn)位置，變向后掘3.5m的小斷面5.4m，與大斷面平行后再變向掘進(jìn)大斷面，如此交替掘進(jìn)，這樣既避免了因通風(fēng)不暢形成盲巷，也簡化了工序，節(jié)約了時(shí)間;當(dāng)累計(jì)進(jìn)尺達(dá)30m時(shí)，鋪設(shè)膠帶并安裝綜掘機(jī)二運(yùn)，采用膠帶出貨。

3.2 安全技術(shù)措施

切眼開口前，在開口位置前后各10m范圍必須加大支護(hù)密度，用長5.3m，直徑21.6mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索代替原來的長4.3m，直徑17.8mm的1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，且間排距由原來的隔1排2根改為每排3根，巷道中線上布置1根，其余2根布置在距巷道中線兩側(cè)各1.5m處;對開口位置前后10m范圍內(nèi)的支護(hù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有失效錨桿時(shí)，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)打。

掘進(jìn)切眼大斷面時(shí)，必須及時(shí)施工加強(qiáng)支護(hù)，即錨索懸吊2.2m的14號槽鋼，嚴(yán)禁滯后安裝;綜掘機(jī)截割切眼小斷面時(shí)，大斷面?zhèn)葒?yán)禁有工作人員，施工過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問頂”制度;兩幫底部第4根滯后幫錨桿必須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)打，滯后距離距迎頭距離不得超過20m;當(dāng)頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，需對工作面頂板注射馬麗散進(jìn)行超前粘結(jié)加固支護(hù)。

4 礦壓觀測

通過測試錨桿 (索)受力，可比較全面地了解錨桿支護(hù)的工作狀態(tài)，進(jìn)而驗(yàn)證或修改錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，并保證巷道的安全狀態(tài)。

4.1 觀察方案

為了進(jìn)一步探究切眼交替掘進(jìn)時(shí)9.2m寬大跨度斷面上受掘進(jìn)影響錨桿受力狀況，在切眼開口后50m的位置，每根錨桿 (索)上安裝1個(gè)壓力傳感器，如圖3所示。實(shí)時(shí)監(jiān)測隨切眼掘進(jìn)時(shí)錨桿(索)受力的變化情況，及時(shí)調(diào)整錨桿 (索)支護(hù)技術(shù)參數(shù)。

圖3 全斷面測站測點(diǎn)分布

圖4 錨桿軸力變化曲線

4.2 觀測結(jié)果

從圖4中可以看出，隨著掘進(jìn)工作面不斷遠(yuǎn)離測站，錨桿軸力不斷增大，但增加幅度很小，基本保持初始設(shè)置水平。在0～10d范圍內(nèi)，錨桿受力波動(dòng)比較大，10d以后，錨桿受力基本趨于穩(wěn)定。圖4也顯示，雖然錨桿初始預(yù)應(yīng)力的設(shè)置水平不等，但切眼掘進(jìn)穩(wěn)定后，錨桿軸力增加的幅度很小，表明錨桿安裝初期，給錨桿施加較高的預(yù)應(yīng)力既能發(fā)揮錨桿主動(dòng)高強(qiáng)支護(hù)作用，同時(shí)又能保證巷道安全。

從圖5可以觀察到，隨著切眼掘進(jìn)逐漸遠(yuǎn)離測站，錨索受力逐步趨于穩(wěn)定。切眼掘進(jìn)10d內(nèi)，錨索受力呈增大的趨勢，10d后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖5也顯示，盡管錨索初始張拉值大小不等，但切眼穩(wěn)定后錨索受力增加的幅度并不大，表明錨索初始預(yù)緊力設(shè)置達(dá)到一定水平后，圍巖活動(dòng)對其沒有明顯影響，錨索初始預(yù)緊力設(shè)置達(dá)到合理值，可有效控制圍巖變形。

圖5 錨索軸力變化曲線

錨桿 (索)受力監(jiān)測表明，切眼施工過程中，錨桿 (索)預(yù)應(yīng)力設(shè)置水平不統(tǒng)一，有高有低，不能充分發(fā)揮錨桿 (索)支護(hù)的整體作用。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)調(diào)整了錨桿 (索)的預(yù)應(yīng)力設(shè)置值，確保了切眼的安全穩(wěn)定，錨桿 (索)支護(hù)控制了圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了大采高工作面設(shè)備順利安裝，目前正在回采。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析

與二次成巷相比，兩次交替掘進(jìn)、一次成巷不僅快速、安全地實(shí)現(xiàn)了切眼貫通，而且無論在材料的消耗上還是工時(shí)的利用上都大大節(jié)約了成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(1)從工時(shí)利用上，兩次交替掘進(jìn)、一次成巷比兩次掘進(jìn)成巷的方案節(jié)省了1/3時(shí)間。

(2)從材料使用上，與兩次成巷相比，節(jié)約了1個(gè)幫的支護(hù)材料。

(3)從安全角度考慮，與兩次成巷相比，不僅避免了切眼頂板受二次掘進(jìn)的影響，而且減少了1/3的空頂時(shí)間。

6 結(jié)論

(1)運(yùn)用EBZ220(G)型綜掘機(jī)掘進(jìn)，應(yīng)用錨網(wǎng)索、W鋼帶和槽鋼的聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)及兩次交替掘進(jìn)、一次成巷的施工工藝，成功地解決了9.2m寬特大斷面大采高綜采工作面切眼支護(hù)困難、掘進(jìn)效率低的問題。

(2)與二次成巷相比，兩次交替掘進(jìn)、一次成巷不僅快速、安全地將切眼順利貫通，而且節(jié)約了材料，減少了工時(shí)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)特大斷面切眼兩次交替掘進(jìn)、一次成巷的施工工藝探索出特大斷面切眼施工工藝上的新路，為大采高采煤工藝的發(fā)展提供了良好的支撐。

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