煤層巷道過分叉區(qū)掘進支護工藝淺析及應(yīng)用①

張 偉

(神華神東煤炭集團石圪臺煤礦，陜西榆林 719315)

石圪臺煤礦22305掘進工作面，地面位置: 22305主輔運巷道對應(yīng)地面南側(cè)為布袋壕三、四組(已搬遷)，地面標高為1228－1292.82 m。井下位置及四鄰采掘情況:22305主輔運掘進工作面東南側(cè)是22304工作面，西北面為2－2煤實體煤，西南面為2－2煤南翼集中輔運大巷，東北面為井田邊界。22305工作面處于22煤與22上煤的分叉復合區(qū)內(nèi)，局部分叉，其余為復合區(qū)。由于煤層復合及分叉區(qū)的的存在，對巷道掘進及支護技術(shù)提出了特殊的技術(shù)及工藝要求，為了保證正常和安全生產(chǎn)，不能采取一成不變的掘進支護措施。

本文在分析22305掘進面煤層賦存特征及頂?shù)装鍘r性的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤層分叉區(qū)具體情況制定了相應(yīng)的掘進支護措施，現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，采用針對性的掘進支護措施取得了良好的技術(shù)效果。

1 22305地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)說明書22305主輔運巷道掘進段在距主輔巷道開口325.3～3001.7 m范圍內(nèi)為分岔區(qū)，分岔區(qū)內(nèi)22上煤煤厚0.36～2.15 m，平均1.4 m，22煤煤厚1.4～2.6 m，平均2.0 m，層間距0.8～17.65 m;其余為復合區(qū)，復合區(qū)內(nèi)煤厚1.5～4.2 m，平均2.65 m，工作面局部煤層中有一至兩層泥巖夾矸，厚度在 0.1～0.8 m。由于22305巷道掘進段在分叉區(qū)內(nèi)，層間距不穩(wěn)定，且22煤與22上煤之間的夾矸為砂質(zhì)泥巖、中細粒砂巖、粉砂巖及炭質(zhì)泥巖等，巖性不一，并且裂隙、節(jié)理較發(fā)育，極不穩(wěn)定易冒落。

2 巷道支護設(shè)計

2.1 巷道斷面設(shè)計及支護方案

1)施工巷道為矩形巷道，巷道斷面參數(shù)如表1。

表1 巷道斷面參數(shù)

2)巷道支護采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”支護，巷道具體支護參數(shù)見巷道支護參數(shù)表2。

表2 巷道支護參數(shù)表

2.2 支護參數(shù)設(shè)計

2.2.1 采用工程類比法合理選擇支護參數(shù)［1－2］

根據(jù)地測站提供的地質(zhì)資料分析，直接頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度為0.3～1.03m，老頂為灰白色中、細粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度為 9.59～12.84 m。根據(jù)石圪臺煤礦22煤開拓巷道及回采巷道頂板支護經(jīng)驗，選用Φ18×2100 mm螺紋鋼錨桿，間排距詳見支護參數(shù)表2。

2.2.2 采用計算法校核支護參數(shù)

1)錨桿長度計算(懸吊理論)

式中:L—錨桿長度，m;

H—冒落拱高度，m;

K—安全系數(shù)，一般K=1.5;

L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖的深度，一般按經(jīng)驗取0.3 m;

L2—錨桿在巷道中的外露長度，公司規(guī)定不超過0.05 m。

其中:

式中:B—巷道開掘?qū)挾?，本工作面巷道最大寬度為機頭硐室段主運巷道寬6m;

f—巖石堅固性系數(shù)，粉砂巖取4.4。則:

則:L≥1.5×0.682+0.3+0.05≈1.373 m所以，選用的Φ18×2100 mm錨桿長度滿足懸吊理論要求。

2)錨桿間、排距計算，設(shè)計時令懸吊面積為A

式中:A—懸吊面積，m2;

Q—錨桿設(shè)計錨固力，49kN/根;

H—冒落拱高度，取0.682 m;

R—被懸吊粉砂巖的重力密度，取23 kN/m3;

K—安全系數(shù)，一般K=2;

則:

設(shè)計的支護面積最大為1.2×1=1.2 m3，所選用的錨桿滿足支護密度要求。

所以，錨桿支護參數(shù)符合巷道支護要求。

2.2.3 懸吊理論校核錨索間距

采用Φ17.8×6500 mm的錨索加強支護，將頂板巖層懸吊在穩(wěn)定的巖層中。根據(jù)《錨桿支護手冊》［1］可用下式計算錨索間距:

式中:L—錨索間距，m;

B—巷道最大冒落寬度，6 m;

H—巷道冒落高度，按最嚴重冒落高度取2.1 m;

γ—巖體容重，2.35 t/m3;

L1—錨桿排距，1.0 m;

F1—錨桿錨固力，5 t;

F2—錨索極限承載力，取33.7 t;

θ—錨桿與巷道頂板的夾角，90°;

n—錨索排數(shù)，取2。

則:L=2×33.7/［6×2.1×2.35－2×5× sin90°/1］≈3.44 m

所選錨索參數(shù)滿足設(shè)計要求。

3 巷道過分叉區(qū)技術(shù)措施

3.1 巷道過分叉的基本情況

巷道掘進段處于煤層分叉區(qū)時，根據(jù)頂板情況、層間距大小等，大體有以下幾種情況:

1)當22煤與22上煤層間距小于1 m，頂板裂隙發(fā)育較破碎或破碎時，在沿煤層底板掘進時頂板冒落嚴重，并且連采機能夠正常割動夾矸時，根據(jù)22煤厚度及作業(yè)規(guī)程巷道設(shè)計高度，沿著22上煤頂板掘進，盡量將這層夾矸割去，掘進循環(huán)進度控制在11 m;

2)當22煤與22上煤層間距小于1 m，夾矸硬度大，頂板穩(wěn)定或中等穩(wěn)定，沿著22煤頂板掘進，掘進循環(huán)進度控制在11 m。

3)當22煤與22上煤層間距大于1 m，頂板穩(wěn)定或中等穩(wěn)定時，并且夾矸不太堅硬，連采機能夠正常掘進時，沿22煤底板掘進，適當割一部分這層夾矸，保證巷道達到設(shè)計高度，循環(huán)進度控制在11 m。

4)當22煤與22上煤層間距大于1 m，頂板穩(wěn)定或中等穩(wěn)定時，夾矸堅硬，連采機無法正常向前掘進，改變掘進方式，采用沿頂破底的掘進方法，適當?shù)母钊ゲ糠值醉?，以保證巷道達到設(shè)計高度;

3.2 以夾矸作為巷道頂板時掘進的具體措施

當以夾矸作為巷道頂板，根據(jù)頂板的穩(wěn)定性和完整性，掘進支護時采用以下幾種方式:

1)無頂煤，頂板穩(wěn)定或中等穩(wěn)定無節(jié)理、裂隙，頂板完好，掘進循環(huán)進度控制在11 m，沿頂板掘進，采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索”支護［3］，具體參數(shù)見圖1。

圖1 頂板完好

2)頂板有磷片、較少裂隙、滑面，頂板整體較完整時，掘進循環(huán)進度控制在6－8 m，保證巷道頂板不冒落，并采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索”支護，在原有的錨索支護上，每排錨索之間增加一根錨索，形成“五花”布置，具體參數(shù)見圖2;錨索支護滯后錨桿支護一個循環(huán)，錨索空頂時間控制在6小時以內(nèi)。

圖2 頂板較完整

3)頂板裂隙發(fā)育、滑面增多，經(jīng)常出現(xiàn)頂板冒落，甚至隨掘隨冒，頂板凸凹不平，掘進時循環(huán)進度控制在4～6 m，采用短掘快支，及時支護將確保頂板不冒落，保證人員安全，并采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索+鋼筋鋼帶或W鋼帶”支護，每排5根錨桿，全斷面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，每排三根錨索(帶鋼帶)，錨索緊跟工作面及時支護，具體參數(shù)見圖3。當頂板非常破碎的情況下，錨索長度改為8 m直徑不變?yōu)棣?7.8，并在上述錨索布置的基礎(chǔ)上，在每排中間增加兩根錨索，形成“五花”布置，具體參數(shù)見圖4。

4 結(jié)論

根據(jù)煤層頂板情況，制定不同的掘進支護措施，在保證巷道掘進時可以安全快速通過的前提下，實現(xiàn)巷道掘進達到設(shè)計要求，選擇合理的支護方式，最大限度保證圍巖的完整性和穩(wěn)定性，保證人員在巷道中安全作業(yè)。實踐表明，當以夾矸作為巷道頂板時，根據(jù)頂板完整情況，分別采用如圖1～4所示的針對性支護措施，實現(xiàn)了石圪臺煤礦22305主輔運巷道安全高效的通過，證明這種掘進支護措施很好地控制了巷道圍 巖的變形，保證了巷道的穩(wěn)定性和安全性。

圖3 頂板裂隙發(fā)育

圖4 頂板破碎

［1］ 錨桿支護手冊

［2］ 石圪臺煤礦支護手冊，2011

［3］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007