大循環(huán)進尺快速掘進與圍巖控制技術研究

摘 要：合理掘進循環(huán)進尺有利于安全快速施工。為實現(xiàn)三河尖礦快速掘進，解決采掘接替緊張難題，以三河尖礦7126工作面軌道巷為研究對象，進行大循環(huán)進尺快速掘進關鍵技術的研究，根據(jù)頂板應力與巖體強度判定巷道頂板穩(wěn)定性，確定了合理的掘進循環(huán)進尺。在此基礎上，提出了“小循環(huán)臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則，現(xiàn)場效果顯著，使月進尺達到400m/月以上，保證了巷道掘進的速度和安全性。

關鍵詞：大循環(huán)進尺；快速掘進；高強預緊；錨桿支護；

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-08-00-02

由于中國大部分煤炭賦存條件較為復雜，煤巷綜掘普遍采用綜掘機配套單體錨桿鉆機和連續(xù)采煤機與錨桿鉆車配套工藝。循環(huán)進尺小，可以保證安全，但掘進與支護作業(yè)交替頻繁，影響生產(chǎn)效率；掘進循環(huán)進尺大，可以減少不必要的工作交替次數(shù)，有助于組織生產(chǎn)，提高工效，但掘進循環(huán)進尺大存在很大的安全隱患，萬一發(fā)生頂板坍塌將直接影響施工進度及危及礦工生命。因此，在安全、生產(chǎn)兼顧的情況下，確定一個合理掘進循環(huán)進尺就顯得尤其重要。

三河尖礦巷道掘進循環(huán)進尺比較?。ㄑh(huán)進尺為1.8m），造成采掘接替緊張，每月進尺已不能滿足礦井正常接替的需要，掘進工序比較復雜，掘進機的有效工作時間短，掘進速度慢。增加循環(huán)進尺和優(yōu)化掘進工藝可以有效解決這一問題，但是增大循環(huán)進尺，存在空頂長度大，巷道圍巖控制困難等問題，需要確定合理的循環(huán)進尺，采用可靠的圍巖控制技術，選擇安全、經(jīng)濟、高效的施工工藝和勞動組織方式，在保障安全的前提下實現(xiàn)快速掘進。

一、工程概況

三河尖礦7126工作面軌道巷沿頂掘進，巷道斷面為梯形斷面。軌道巷標高-800m，底寬為3.8m，中高為2.7m。直接頂為0～2.54m的泥巖，致密性脆易碎?；卷敒?5m的中細砂巖，成分以石英、長石為主，層理不明顯，含有黃鐵礦結核。直接底為1.86m的泥巖，致密性脆，含植物化石碎片?；镜诪?.84m的砂質(zhì)泥巖，深灰色，致密性脆。煤層平均厚度為2.5m，條帶結構，內(nèi)生節(jié)理發(fā)育，為光亮型煤。

二、大循環(huán)進尺的合理確定

7126工作面軌道巷直接頂為0～2.54m的泥巖，基本頂厚度為35m中細砂巖，基本頂厚度、強度均較大，其承載和抗變形能力均較大，能夠保持自身穩(wěn)定且下沉量很小。因此，對泥巖直接頂?shù)姆€(wěn)定性進行分析時，僅需考慮其自身載荷作用。

由相關圖表可以看出，在沿直接頂厚度方向，直接頂下部分巖層受拉，上部分巖層受壓，往直接頂厚度中部方向，等值線逐漸稀疏，且拉應力沿著直接頂厚度方向越來越小，壓應力沿著直接頂厚度方向越來越大。

10m循環(huán)進尺條件下，泥巖的最大拉應力為1.004MPa，超過泥巖的抗拉強度0.9MPa，頂板可能發(fā)生拉破壞而導致頂板冒落；4m、6m、8m大循環(huán)進尺條件下，最大拉應力值均小于泥巖抗拉強度0.9MPa，但8m循環(huán)進尺條件下的最大拉應力為0.692MPa，但當巷道局部區(qū)域泥巖厚度大于2.5m時，拉應力將會超過0.9MPa，安全系數(shù)較低，且由于循環(huán)進尺增大，一個班也難以完成一個循環(huán)，交接班及其它輔助措施占用時間比較長，而4m循環(huán)進尺時，掘進與支護作業(yè)交替頻繁，影響生產(chǎn)效率。因此，綜合考慮礦上的生產(chǎn)技術條件，確定三河尖礦7126工作面軌道巷掘進循環(huán)進尺為6m。

三、大循環(huán)進尺巷道圍巖控制技術

增大掘進循環(huán)進尺，巷道空頂距離增大，頂板易發(fā)生離層，煤層節(jié)理發(fā)育，高幫易片幫，大幅度增加了巷道支護難度。通過對大循環(huán)進尺條件下圍巖控制的問題的分析研究，提出了“小循環(huán)臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則。

（1）小循環(huán)臨時支護。統(tǒng)籌考慮臨時支護和永久支護，將二者作為一個體系進行考慮。巷道掘出后，圍巖原巖應力狀態(tài)被打破，破碎區(qū)與塑性區(qū)迅即向深部發(fā)展，圍巖變形速度較快。為了保證頂板安全和施工人員安全，應采及時進行小循環(huán)臨時支護，在臨時支護掩護下進行永久支護。

（2）高強預緊支護。為了防止頂板過早離層以及煤幫破碎區(qū)的發(fā)展，及時施加高強預緊力錨桿，實現(xiàn)錨桿主動承載，，提高圍巖峰值強度和殘余強度，抑制圍巖大變形，從而達到防止頂板冒頂、高幫片幫的目的。

（3）高幫上部及時支護。頂板錨桿和高幫肩角錨桿同時打設，滯后打設高幫下部錨桿和低幫錨桿，實現(xiàn)頂板和肩角圍巖穩(wěn)定。

考慮掘進進尺與錨桿支護工藝，經(jīng)過多種支護方案比較，最終確定巷道支護參數(shù)為：

（1）巷道支護參數(shù)

頂板錨桿間排距900 mm×1000mm，每排5根錨桿，兩幫采用錨桿間排距800 mm×1000mm，低幫每排三個錨桿，高幫每排4根錨桿，錨桿均為直徑20mm、長度2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷規(guī)格：CK2350一支。錨桿配套使用半球形墊圈、樹脂減摩墊圈、金屬墊圈，快速安裝的高強螺帽。頂板、兩幫均鋪設金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用直徑14mm的圓鋼焊接。

（2）小循環(huán)臨時支護參數(shù)

為了保障安全，打設單體支柱按小循環(huán)進行，1m一個小循環(huán)，則臨時支護范圍小，施工循環(huán)次數(shù)多，工序復雜，而3m或以上一個小循環(huán)，臨時支護范圍大，不利于頂板穩(wěn)定。因此，從安全角度和施工循環(huán)次數(shù)考慮，確定臨時支護小循環(huán)長度為2m，即每個小循環(huán)打設兩排單體支柱

7126工作面軌道巷掘進期間巷道表面位移曲線見圖2所示。巷道表面位移隨掘進頭的遠離而遞增，變形速度逐漸減小。頂?shù)装逑鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平孔兓厔菹嗤?，距掘進頭100m以后，巷道圍巖變形速度趨于穩(wěn)定，變形量不再明顯增加，頂?shù)装逑鄬σ平繛?33mm，兩幫相對移近量為93mm，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。

7126工作面軌道巷原掘進進尺為195m，實施大循環(huán)進尺掘進工藝后進尺達到409.9m，掘進速度為原掘進工藝速度的2.1倍，大大提高了煤巷綜掘速度。實施大循環(huán)進尺掘進工藝，提高工作面煤巷綜掘速度效果顯著，有效緩解了三河尖礦采掘接替緊張的局面。

四、主要結論

（1）在保證巷道直接頂穩(wěn)定的前提下，增大循環(huán)進尺，可減少不必要的工作交替次數(shù)、并在較大作業(yè)空間內(nèi)實現(xiàn)平行作業(yè)，是實現(xiàn)煤巷快速掘進的重要途徑。根據(jù)頂板應力與巖體強度判定巷道頂板穩(wěn)定性，確定了7126工作面軌道巷合理的掘進循環(huán)進尺為6m，安全系數(shù)較高，一個班可以完成一個循環(huán)作業(yè)。

（2）針對大循環(huán)進尺巷道空頂距離增大，頂板易發(fā)生離層、煤層節(jié)理發(fā)育、高幫易片幫等特點，提出了“小循環(huán)臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則，并設計了合理的支護參數(shù)，保證了巷道圍巖穩(wěn)定。

（3）現(xiàn)場實踐表明，大循環(huán)進尺掘進速度為原掘進工藝的2.1倍，大大提高了7126工作面煤巷綜掘速度。掘進期間，巷道頂?shù)装逑鄬σ平繛?33mm，兩幫相對移近量為93mm，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，支護效果顯著，實現(xiàn)了安全快速掘進，緩解了礦井接續(xù)緊張的局面，取得了顯著的經(jīng)濟社會效益。

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