采煤掘進中高強支護技術(shù)的運用探究

楊振國

（山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048411）

1 煤礦概況

山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司隸屬于山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司，該公司的礦井井田屬于山西省沁水煤田高平礦區(qū)王報井田的一部分，井田面積6.907 6 km2，井田以寬緩褶曲為主伴有少量斷層和陷落柱的單斜構(gòu)造，走向NE，傾向NW，傾角小于15°，構(gòu)造屬一類（簡單構(gòu)造）。水文地質(zhì)條件中等，屬低瓦斯礦井。礦井的開采深度在+800～+520 m，批準開采3號、9號、15號煤層，現(xiàn)開采3號煤，3號煤層平均厚度5.3 m，采用綜采放頂煤采煤法?，F(xiàn)礦井新建9號、15號煤層開采系統(tǒng)。本文以3號煤層為例，就高強支護技術(shù)的采煤掘進中的應(yīng)用進行探析。

2 高強支護技術(shù)概述

2.1 高強支護技術(shù)定義

煤礦開采過程中經(jīng)常需要在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下進行采煤掘進作業(yè)，在此過程中利用鋼絲網(wǎng)、噴砼、錨桿以及錨索等技術(shù)對巷道圍巖進行加固的手段就是高強支護技術(shù)。樹脂錨桿是目前采煤掘進高強支護技術(shù)中較為常用的一種材料，改材料具有性價比高、支撐性能良好、便于運輸安裝的優(yōu)勢。我國地域遼闊，一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的土層結(jié)構(gòu)較為脆弱，采煤掘進的難度較高，高強支護技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高巷道的穩(wěn)定性和作業(yè)的安全性。

2.2 高強支護技術(shù)應(yīng)用原理

主動支護是實現(xiàn)高強支護作用的必要條件，通過在采掘巷道頂部的高強支護，當最大預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)是高強支護裝置可以自動開啟預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，利用傳遞出的應(yīng)力抵消部分的垂直應(yīng)力，通過圍巖強度的降低控制巖壁變形，進而提高巷道內(nèi)壁的抗變形和抗壓能力，以達到加固巷道圍巖的穩(wěn)固性的目標，提高采煤掘進作業(yè)的安全性。高強支護技術(shù)的本質(zhì)就是應(yīng)力的傳遞和轉(zhuǎn)移，因而高強支護裝置也常被稱作預(yù)應(yīng)力承載梁[1]。在實際的煤礦開采中可以通過增加錨桿長度和承載力的方式實現(xiàn)主動高強支護。

2.3 高強支護技術(shù)的優(yōu)勢

采煤掘進中運用高強支護技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下四個方面：一是高強支護可以提高深層巷道的穩(wěn)固性，增加巷壁承載力，保障采掘作業(yè)人員的安全性；二是高強支護技術(shù)施工難度和成本都不高，且對于環(huán)境的適應(yīng)性較強，基本上各類地質(zhì)條件下的采煤掘進都可以應(yīng)用高強施工技術(shù)；三是高強支護裝置各部件易于運輸和組裝，不會給井下作業(yè)人員增加額外的負擔(dān)；四是高強支護技術(shù)通過對巷道穩(wěn)定性的提升降低了后續(xù)巷道維護的工作量，有利于成本控制目標的實現(xiàn)，延長了巷道的使用壽命，有利于煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益的提升。

2.4 高強支護技術(shù)的應(yīng)用要點

首先在施工之前要先對需要支護的采掘巷道進行考察，明確地質(zhì)條件、溫度、巖層類型等，通過各項參數(shù)的計算和施工難度的評估確定具體的高強支護技術(shù)類型和施工方案。其次要實現(xiàn)巷道的主動防護，技術(shù)人員要盡可能通過各類支護裝置促進巷道圍巖自身承受能力的增強，通過圍巖預(yù)應(yīng)力的提高實現(xiàn)巷道自主支護。最后建立完善的高強支護裝置檢測系統(tǒng)，對現(xiàn)有的巷道支護構(gòu)件信息進行采集和分析，進而了解采掘巷道的高強支護現(xiàn)狀，從而明確后續(xù)的支護改進方案，提高采掘巷道的壽命。

3 高強支護技術(shù)在采煤掘進中的實際運用

3.1 噴射混凝土支護技術(shù)

山西蘭花百盛煤業(yè)的3號礦井通過超高強噴射混凝土支護技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高巷道的穩(wěn)定性，施工作業(yè)中沒有出現(xiàn)過巷壁掉落導(dǎo)致的安全事故。根據(jù)噴射方式的不同噴射混凝土支護可以分為水泥裹砂噴射技術(shù)和干式噴射技術(shù)等。干式噴射需要利用噴砂機，作業(yè)人員先將混凝土、水泥以及速凝劑等材料添加適量的水后進行混合攪拌，之后再利用噴砂機向采煤掘進巷道的圍巖墻壁上噴射混合物，以實現(xiàn)對圍巖的加固。水泥裹砂噴射混凝土支護技術(shù)需要使用到砂粒和水泥，使水泥裹住砂粒，再利用泵或者是壓縮空氣將混合物噴射到圍巖外壁上，提高巷道圍巖的承載力。在實際采煤掘進施工之前，技術(shù)人員需要先了解巷道的地質(zhì)條件、采掘要求、支護成本、圍巖類型等情況，選擇恰當?shù)膰娚浠炷林ёo技術(shù)并制定相應(yīng)的施工方案，以此作為具體的高強支護技術(shù)實施的參考。

3.2 錨桿支護技術(shù)

錨桿支護技術(shù)也是十分常用的高強支護技術(shù)類型，山西蘭花百盛煤業(yè)錨桿支護技術(shù)實施可分為三個階段，首先是根據(jù)采掘巷道的巖層性質(zhì)和斷面形狀選擇恰當?shù)腻^桿布置方式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巷道的應(yīng)用年限、圍巖動壓的承受能力、斷面現(xiàn)狀等進行錨桿的細化設(shè)計；二是明確錨桿空頂?shù)木嚯x和混凝土噴射，為了提高巷道的穩(wěn)固性盡可能避免圍巖的脫層及風(fēng)化，最低錨桿空頂距離不應(yīng)超過1.5 m，且噴射混凝土的時機必須要把握好；三是檢測，在錨桿支護裝置施工結(jié)束后還需要對其進行檢測，分析施工結(jié)果與設(shè)計之間的誤差。圖1為煤礦巷道中錨桿支護的結(jié)構(gòu)示意圖，錨桿可以將松動的巖塊穩(wěn)定在圍巖中，并盡可能將其深入穩(wěn)定巖層內(nèi)，實現(xiàn)巖層與不穩(wěn)定巖塊的聯(lián)接，避免巖層脫落導(dǎo)致的安全事故。利用錨桿可以實現(xiàn)相應(yīng)厚度的巖層的組合，通過組合拱、組合梁等更為穩(wěn)固的形式降低巖層滑移以及坍塌出現(xiàn)的可能性。加固是錨桿支護的重要作用，符合巷道圍巖規(guī)律的錨桿群設(shè)計，可以對巷道鍍金相應(yīng)深度的圍巖進行擠壓和粘結(jié)，通過承載環(huán)實現(xiàn)對采掘巷道的防御支護。

圖1 錨桿支護結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 光爆錨噴支護技術(shù)

光爆錨噴支護技術(shù)綜合運用了光面爆破、錨桿支護和噴射混凝土支護技術(shù)，圖2為山西蘭花百盛煤業(yè)3號礦井所應(yīng)用的光爆錨噴支護技術(shù)的豎向結(jié)構(gòu)示意圖，通過錨桿將松軟巖層與堅硬巖層進行了聯(lián)接，并利用混凝土噴射層對其進行了加固，有效提高了采掘巷道的穩(wěn)固性。技術(shù)人員在光爆錨噴技術(shù)應(yīng)用之前會對施工所涉及的各項參數(shù)進行明確，包括巷道的最小抵抗線、炸藥類型、炮孔間距、裝藥結(jié)構(gòu)以及不耦合系數(shù)等，提高光爆錨噴支護技術(shù)的施工效率，增強巷道圍巖薄弱部位的抗壓能力，維持巖層自身的穩(wěn)定性，避免圍巖的松動或者是變形，保障采煤掘進巷道的安全性。

圖2 光爆錨噴支護技術(shù)

3.4 聯(lián)合支護技術(shù)

除了上述三種高強支護技術(shù)之外，山西蘭花百盛煤業(yè)3號礦井在實際的施工作業(yè)中也會根據(jù)具體的地質(zhì)條件和圍巖性質(zhì)對多種支護技術(shù)進行聯(lián)合運用。技術(shù)人員將U型鋼可縮性直接技術(shù)與錨背支護技術(shù)進行了聯(lián)合，在有效控制巷道變形之外還彌補了混凝土噴射支護技術(shù)的缺陷，使支護裝置的強度和安全性都顯著提高，有效保障了采煤掘進巷道施工的安全性[2]。此外錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護技術(shù)也有著良好的運用效果，技術(shù)人員先通過光面爆破技術(shù)實現(xiàn)巷道的掘進，再進行初步噴射和錨孔的設(shè)置，利用錨桿、鋼梁以及鋼絲對巷道進行支護之后再在外層噴射混凝土，提高了支護裝置的固定性和抗壓性，對于采煤作業(yè)的順利進行有著重要的意義。鋼筋網(wǎng)、木材以及混凝土都是高強聯(lián)合支護技術(shù)的常用材料，其中鋼筋網(wǎng)背板在3號礦井的采掘巷道支護中應(yīng)用最多，將其與U型鋼可縮性支架進行聯(lián)合可以實現(xiàn)內(nèi)部支護與外部支護的結(jié)合，顯著提高了煤礦采煤掘進巷道的安全穩(wěn)固性[3]。

4 結(jié)語

采煤掘進的難度會伴隨著煤礦采掘深度的提高而增加，深層巷道以及特殊地質(zhì)條件的采煤巷道的穩(wěn)定性較差，為了保障采煤作業(yè)人員的安全性必須要采取有效的支護措施，提高高強支護技術(shù)的應(yīng)用水平。目前高強支護技術(shù)已經(jīng)在實際的煤礦開采中得到了廣泛的應(yīng)用實踐，取得了良好的支護效果，保障了巷道的安全性，在一定程度上降低了采煤掘進的工作難度，提高煤礦開采的效率，促進了我國煤礦事業(yè)的進步與可持續(xù)發(fā)展。