破碎煤層巷道掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)研究

王國柱

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043302）

引言

隨著煤炭行業(yè)及開采技術(shù)的發(fā)展，開采深度越來越大，深部煤層開采面臨著嚴(yán)峻的復(fù)雜地質(zhì)問題，比如煤巖的穩(wěn)定性較差、因地壓較大導(dǎo)致巷道變形等，而當(dāng)前的深部開采技術(shù)還無法解決深部煤層環(huán)境復(fù)雜的問題。本文針對地質(zhì)條件復(fù)雜的640 m的深部開采煤層，提出適合破碎巷道的掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)，即采用短掘短支、機(jī)載超前支護(hù)及錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)[1-2]。

1 工程概況

該采區(qū)的輔助巷道位于礦井的北部區(qū)域，主要沿2號煤層掘進(jìn)，見頂見底，如果煤層厚度低于一定程度時(shí)，需要通過破底施工使底板呈現(xiàn)水平狀態(tài)。該巷道的基本參數(shù)見表1。

表1 巷道參數(shù)表

巷道中部分區(qū)域形成復(fù)合頂板，其厚度為0.5～1.0 m左右，頂板巖性屬于泥巖，煤線夾在上部的砂質(zhì)泥巖之間，整體結(jié)構(gòu)容易垮落。由于煤層賦存的深度較深，同時(shí)在施工過程中檢測到較大的巷道壓力，巷道出現(xiàn)明顯的變形，因此，對于整個(gè)巷道的掘進(jìn)施工造成很大的影響。圖1為該采區(qū)的巷道布置圖。

圖1 采區(qū)巷道布置圖

2 掘進(jìn)與支護(hù)難度分析

1）掘進(jìn)難度分析。該采區(qū)巷道的掘進(jìn)機(jī)械以綜掘機(jī)為主，循環(huán)進(jìn)尺量可達(dá)到1600 m，每個(gè)循環(huán)包括兩次進(jìn)刀。由于煤層的深度較大，從巷道開口處開始，巷道范圍內(nèi)劇烈的礦壓變化導(dǎo)致巷道頂板極易發(fā)生塌落及離層，其偽頂?shù)暮穸瓤梢赃_(dá)到0.8 m，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行割煤作業(yè)時(shí)極易造成巷道頂板巖層巖塊的脫落，導(dǎo)致巷道頂板呈現(xiàn)高低不等的狀態(tài)，而且巷道圍巖質(zhì)地松軟導(dǎo)致出現(xiàn)片幫。當(dāng)前的巷道掘進(jìn)施工手段效率低下，單日進(jìn)尺量較小，巷道成型困難。

2）臨時(shí)支護(hù)。輕型單體液壓臨時(shí)支護(hù)方式是最常用的支護(hù)方式，但該支護(hù)技術(shù)無法有效解決松軟煤層帶來的壓力變化，導(dǎo)致采空區(qū)圍巖壓力變化明顯，在臨時(shí)支護(hù)過程中容易出現(xiàn)頂板的破碎及離層，對于礦井的安全施工造成影響。

3）永久支護(hù)。巷道頂板巖石類型主要為泥巖，圍巖自身穩(wěn)定性差，同時(shí)偽頂?shù)暮穸容^大，會在短時(shí)間出現(xiàn)頂板的離層及破碎，巷道的支護(hù)主要通過偽頂支護(hù)實(shí)現(xiàn)，容易出現(xiàn)多次重復(fù)性的局部偽頂垮落。因此，如何實(shí)現(xiàn)巷道及時(shí)高效支護(hù)是實(shí)現(xiàn)高效開采的重要因素。同時(shí)，已有的支護(hù)方式?jīng)]有解決頂板離層、底鼓、巷道偏移嚴(yán)重的問題，必須進(jìn)行二次加強(qiáng)支護(hù)才能保證掘進(jìn)的繼續(xù)。

3 技術(shù)方案

3.1 短掘短支及超前支護(hù)

針對本文研究所選取的深部煤層，推介巷道掘進(jìn)采用EBA-132型掘進(jìn)機(jī)，該掘進(jìn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)割煤的同時(shí)自行裝煤。但是由于深部煤層頂板壓力變化明顯，容易破碎及離層冒頂，故該掘進(jìn)機(jī)采用短掘短支的方式，使循環(huán)進(jìn)尺量減小到800mm，并且割煤過程中要保證兩側(cè)有足夠的余量空間，防止破壞兩幫的圍巖穩(wěn)定。隨后，工人利用風(fēng)鎬進(jìn)行刷幫操作，防止產(chǎn)生超挖從而保障巷道的成型。巷道成型后在巷道內(nèi)裝配刮板輸送機(jī)及膠帶輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)煤工作，整個(gè)巷道斷面一次性成型完工。具體施工流程為：開機(jī)準(zhǔn)備—巷道瓦斯監(jiān)測—掘進(jìn)機(jī)完成割煤、裝煤及運(yùn)煤過程—掘進(jìn)機(jī)退后停機(jī)—敲幫問頂—臨時(shí)支護(hù)—永久支護(hù)[3-4]。

無論采用何種掘進(jìn)方式，深部煤層巷道的掘進(jìn)都會出現(xiàn)控頂距較大及支護(hù)不及時(shí)的問題，上述的掘進(jìn)方式同樣如此，冒頂及片幫危險(xiǎn)也經(jīng)常出現(xiàn)。為此，必須對巷道進(jìn)行超前支護(hù)強(qiáng)化臨時(shí)支護(hù)的效果，本方案的支護(hù)工藝主要包括兩個(gè)方面。第一，在截割部安裝主架與頂梁架，并通過液壓傳動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接控制。一旦掘進(jìn)過程中需要進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)時(shí)，首先需要將液壓傳動(dòng)手柄撥動(dòng)至支護(hù)檔，隨后打開液壓泵站向液壓支架內(nèi)注入高壓液。高壓液注入完畢后，將支架上的鋼帶及網(wǎng)片安置于頂梁架的中線位置，通過支架上的磁鐵裝置進(jìn)行固定，采煤機(jī)司機(jī)控制支架上的操作手柄使主架與頂梁架由原有的組合狀態(tài)變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，根據(jù)頂板情況將支架放置于所需的位置。其次，調(diào)節(jié)主架與頂梁架之間的液控手柄，保證頂梁上升至頂板位置時(shí)其中線位置與巷道中線位置重合，將鋼帶及網(wǎng)片壓實(shí)至頂板上，同時(shí)調(diào)節(jié)液控手柄使掘進(jìn)機(jī)護(hù)幫板貼合至煤壁上。最后，向巷道頂板打入錨桿，先將主架降低到最低點(diǎn)后再折合主架及頂梁架，待頂梁架整個(gè)橫置到掘進(jìn)機(jī)上時(shí)，啟動(dòng)操作閥，保證掘進(jìn)機(jī)順利進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)。其支護(hù)裝置的設(shè)置如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)超前支護(hù)設(shè)備布置圖（mm）

3.2 錨網(wǎng)索耦合支護(hù)

根據(jù)本采區(qū)巷道掘進(jìn)的具體情況，選用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)作為巷道的主要支護(hù)方式。該方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取如下。

3.2.1 錨桿長度的選取

錨桿長度值的確定主要根據(jù)煤壁的破壞范圍及頂板的破壞范圍確定。方案應(yīng)用的煤壁破壞深度為1.34 m；頂板破壞范圍的等效半徑為2.1 m，松動(dòng)圈范圍為1.08 m；故初步確定錨桿地總長度為2200mm，支護(hù)深度700mm，外露100mm。為了保證圍巖支護(hù)具有良好的穩(wěn)定性，選擇500～680mm的擠壓帶對關(guān)鍵部位進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng)。同時(shí)，使用錨索能夠有效降低應(yīng)力集中，減小圍巖變形，保證巷道穩(wěn)定性。

3.2.2 支護(hù)方式的確定

針對該采區(qū)巷道掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)帶及錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)形式如圖3所示。具體的頂板、兩幫支護(hù)參數(shù)如表2所示。

圖3 巷道永久支護(hù)斷面圖（mm）

表2 支護(hù)參數(shù)規(guī)格表

除此之外，在巷道的頂板布置三排并列的錨索梁支護(hù)強(qiáng)化頂板、兩幫的支護(hù)，錨索梁規(guī)格為3000m，孔距1300mm，錨索規(guī)格為Φ19mm×6300mm鋼絞線，間距為Φ1300mm×1500mm，每根錨索用同種類型的四支錨固劑進(jìn)行錨固，巷道兩幫補(bǔ)打單排錨索梁以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)支護(hù)，間距為800mm。

4 效果分析

通過短掘短支工藝在該采區(qū)巷道掘進(jìn)的實(shí)際應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)，巷道的整體質(zhì)量、穩(wěn)定性得到極大的提高，有效降低了冒頂片幫出現(xiàn)的概率，巷道掘進(jìn)施工效果顯著。掘進(jìn)機(jī)的主動(dòng)臨時(shí)支護(hù)，強(qiáng)化了原有不穩(wěn)定煤層的臨時(shí)支護(hù)，保證了圍巖的穩(wěn)定性，提高了巷道掘進(jìn)的安全性，降低了傷亡事故。

為了保證該掘進(jìn)支護(hù)方案的有效性，在巷道內(nèi)每50 m安裝礦壓監(jiān)測系統(tǒng)（包含離層儀和錨桿）用于監(jiān)測圍巖壓力變化，實(shí)時(shí)提供壓力數(shù)據(jù)。通過為期50～70 d的持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)頂板的最大離層值可達(dá)到31mm，最大速率為7mm/d，平均離層速率為0.9mm/d。兩幫最大移近量為28mm，在監(jiān)測初期，巷道兩邊圍巖偏移量較大，隨后逐漸減小，25 d后則很少變化。在整個(gè)觀測期內(nèi)，巷道頂板、兩幫的偏移總量低于50mm，變形速率低于2mm/d，表明該掘進(jìn)支護(hù)方案實(shí)際應(yīng)用是比較合理有效的。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)場生產(chǎn)過程中頂板破碎條件下的生產(chǎn)情況進(jìn)行分析匯總，提出采用短掘短支技術(shù)及將原有的臨時(shí)支護(hù)改為借助掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)臨時(shí)支護(hù)的超前支護(hù)。當(dāng)巷道由于頂板壓力出現(xiàn)下沉及垮落時(shí)，采用這種技術(shù)有效保證了巷道掘進(jìn)的安全高效。實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明了該方案掘進(jìn)支護(hù)工藝的有效性，為類似地質(zhì)情況下的巷道掘進(jìn)提供了理論指導(dǎo)。