深部復雜地質(zhì)條件下半煤巖巷快速掘進技術探析

李榮先

（呼倫貝爾蒙西煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

在煤礦開采的過程中，難免會遇到一些比較復雜的地質(zhì)條件，在這種條件下，為了確保開采工作的順利進行，同時，保障施工的安全，需要采取有效的掘進速度。巷道快速掘進技術是一種比較此常用的技術，該技術具有系統(tǒng)性的特點，工作效率較高、工藝技術比較復雜。隨著各類新的開采設備的投入，采掘不平衡的現(xiàn)象日益嚴重。相較于淺部巷道支護施工，深部采用的“錨-網(wǎng)-索”支護方式存在一定的問題，包括圍巖變形、工序繁多等。所以，改進支護技術，提升掘進速率，使采掘比平衡。

1 工程概述

本文所述礦井為葫蘆素礦井，該礦井的21204工作面使2-1煤層二盤區(qū)首要開采的工作面。煤層埋藏的深度較大，在619～656m，傾斜角度為0°～3°。該工作面設計了長為5768.1m的回風巷，沿著么層頂板向底層掘進，掘進的方位角度為180°。在掘進的區(qū)域和段落之中，煤層比較穩(wěn)定，夾矸有1～3層，以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層厚度不超過2.2m，不小于1.87m。在回風巷南部600m的位置，有一個X1向斜橫在整個工作面中很難過想貫穿，向斜走向為西南方向，區(qū)內(nèi)約有1800m延展，在回風巷開口南部1235m的位置，有一個A形狀的斷層，且斷層傾斜，角度為63°，區(qū)內(nèi)存在落差，在10～20m。斷層區(qū)向內(nèi)延伸830m左右，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復雜。大部分頂板都比較完整，主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，同時，還分布煤線軟弱夾層，掘進的過程中可能會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，甚至會有比較大的矸石掉落，十分危險。偽頂大部分為頁巖，經(jīng)常會出現(xiàn)局部層羅的情況。底板大部分是砂質(zhì)泥巖和細砂巖。

選用MB670/265型掘錨機進行施工，配合10SC32-48C型梭車、DSJ1002X160帶式輸送機等設備進行運輸。該巷道為矩形巷道，斷面寬5.4m，高3.2m，采用“三八”循環(huán)作業(yè)的方式。

2 高預緊長錨固技術

2．1 頂板連續(xù)梁

在頂板使用預應力錨桿設置錨固巖梁，要確保錨固巖梁的厚度，這樣可以將離層消除，也能夠減少失穩(wěn)的情況，進而保障掘進的安全性。采用這種方式可以讓本層內(nèi)、多層間相互聯(lián)動，也就是所謂的連續(xù)梁。具體來說，就是巷道頂板在橫豎兩個方向的梁，這些梁具有連續(xù)性，在簡單且堅硬的頂板巖石的條件下，巷道很容易做到寬度連續(xù)，豎向連續(xù)要對錨桿支護的作用進行考慮和分析。如果采用這種技術理論，則穩(wěn)定性與錨桿預應力的水平有一定關系，在預應力滿足一定要求的情況下，在錨桿預緊力作用范圍中，可以很好地控制頂板離層。受到預應力的影響，錨桿可以進行補強和協(xié)調(diào)變形，以此控制頂板變形的情況。在高壓力水平的情況下，預應力較高，但強度較低的錨桿相較于沒有預應力但強度較高的錨桿，前者的效果更好。應用高預應力錨桿的主要目的就是建立連續(xù)墻，使頂板更加穩(wěn)定，能夠承受高壓的影響，強化頂板的剛性，使其成為剛性梁或者接近剛性梁，進而消除拉伸區(qū)，也能將巷道兩邊的較高的應力集中系數(shù)降低。

連續(xù)梁理論的重點，就是將水平預應力施加在錨桿行，這樣可以充分利用巖層間的協(xié)調(diào)變形，從而使頂板更加穩(wěn)定。增加連續(xù)梁頂板可以讓頂板巖層處在三向壓縮的狀態(tài)下，可以降低高壓的影響，確保頂板的完整性。在連續(xù)梁理論中，錨桿桿體并不屬于承載結(jié)構(gòu)的一部分，而是將高水平的初撐力提供給頂板，這樣才能形成連續(xù)梁頂板，其具有壓力自承結(jié)構(gòu)。實驗數(shù)據(jù)表明，采用連續(xù)梁頂板，可以降低錨桿的后期增仔，桿體只需具備維持應力的能力即可，無須其他作用。

2．2 高緊長錨固技術

高預緊長錨固技術應用后，可以制作出預緊力較高、錨固層較厚的連續(xù)梁。該技術中采用的錨桿工作效能較高，與普通錨桿的工作效率相比，該錨桿的工作效率要高出3倍多。所以，利用此類錨桿，可以進行跨界支護，進而使巷道更加穩(wěn)定。要充分發(fā)揮林旭亮理論的作用，就要合理運用高預緊長錨固技術。

2．3 柔性錨桿

在高預緊長錨固錨桿中，柔性錨桿是比較常用的一種錨桿，桿體采用鋼絞線制作，利用鎖具進行預緊，強度較高，可以達到1850MPa。除了強度高之外，柔性錨桿還具有預應高、工藝形成優(yōu)良、增載性強大的技術特征。

3 支護方案的對比與優(yōu)工作面化

3．1 舊支護方案

原本的支護方式為“錨-網(wǎng)-索”三種方式的聯(lián)合支護。其中，頂板錨桿采用的是左旋螺紋錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2200mm，間排距為1100mm×1100mm；托盤采用鋼托盤，形狀為正方形，規(guī)格為150mm×150mm×12mm；錨索采用預應力鋼絞線錨索，規(guī)格為Φ17.8mm×6200mm，每一排都要使用，使用數(shù)量為3根，間排距為1500mm×300mm；托盤采用鋼托盤，形狀為拱形，規(guī)格為300mm×300mm×16mm；選用CK2370號樹脂；還要使用鋼筋網(wǎng)，尺寸為Φ6.5mm×5400mm×1100mm，網(wǎng)格大小為100mm。非回采幫采用剛錨桿，類型為左螺旋紋型，規(guī)格為Φ20mm×2200mm，每排都要使用，使用數(shù)量為3根，間排距為1100mm×1000mm。還使用了菱形金屬網(wǎng)格，總體大小為3300mm×1100mm，網(wǎng)格的大小為50mm?；夭葌?cè)幫采用玻璃剛錨桿，規(guī)格為Φ27mm×2000mm，每排都需要使用，使用數(shù)量為3根，間排距和前面相同。雙抗塑料網(wǎng)也是不可或缺的應用材料，規(guī)格為3300mm×1100m，網(wǎng)孔的大小為50mm。在該支護方案應用的過程中，需要較長的時間進行頂板支護，且受到掘錨機錨臂擺動幅度的影響，需要由技術人員對中間錨索進行補打，這種掘進方式不僅缺少安全性，而且效率不高，需要改進和完善。

3．2 支護方案優(yōu)化和具體效果

根據(jù)前文所述內(nèi)容，要優(yōu)化舊方案，可以采用頂板連續(xù)梁理論和高預緊長錨固技術，具體優(yōu)化方式如下：

擴大加固圈，將深部圍巖的性能作用充分發(fā)揮出來，對淺部的變形情況進行了有效的控制，進而實現(xiàn)了大小位移之間的相互聯(lián)動，不僅可以提升承載全強度，還能增加承載全的厚度，使其可以對應力擾動進行有效的抵抗。

降低密度、提高效能。改變舊方案中的幾何參數(shù)，包括間排距等參數(shù)。要從參數(shù)設計變?yōu)殄^桿支護效能設計，進而提升支護效能，并且降低密度。

維持預應力。隨著時間的流逝，預應力會逐漸變小，需要對錨桿進行多次加扭，這樣才能確保錨桿具有較高的預應力，從而保障頂板連續(xù)梁的形成。

根據(jù)以上三個步驟，在實際施工的過程中，可以將設計方案更改為：頂板采用柔性錨桿，規(guī)格為Φ21.8mm×4000mm，同時配合鋼筋網(wǎng)進行支護，每排都要使用錨桿，使用數(shù)量為4根，距離為1000mm；不僅要使用柔性錨桿，還要配合樹脂錨固劑，分別采用CK2370號樹脂和Z2370號樹脂；配合鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔的大小為70mm；頂板鉆研時采用的轉(zhuǎn)頭大小為Φ27mm，有效的錨固長度為2300～2400mm，同時在外部露出150～300mm。預拉力應該超過200kN。

將上文所述的優(yōu)化方案應用在實驗巷道之中，并在巷道中設置測站，測站數(shù)量為3個，利用十字測量的方式對圍巖變形情況進行監(jiān)測，明確支護方案優(yōu)化前后的差異，了解新支護方案的支護效果。通過監(jiān)測可知：在0～100m的掘進工作面中，兩幫移近量呈現(xiàn)增長的趨勢，具體為現(xiàn)行增長。在100～130m的工作面中，兩幫呈現(xiàn)出穩(wěn)定的效果，移近量在11～23m；在頂板與工作面相距0～130m時，下沉量呈現(xiàn)出增長的趨勢，具體為現(xiàn)行增長，超過130m之后，頂板逐漸穩(wěn)定，下沉量約為7mm?？梢?，采用優(yōu)化方案之后，支護效果有了明顯的提升，巷道圍巖的變形情況得到了有效的控制。

4 結(jié)語

綜上所述，在深部復雜地質(zhì)條件下半煤巖巷快速掘進的過程中，需要采取有效的掘進技術、支護方式，這樣才能確保掘進的效率和安全?？梢岳庙敯暹B續(xù)梁理論，不僅要對技術進行完善，還要采用新型材料，將原本的聯(lián)合支護變?yōu)槿嵝藻^桿支護，以此優(yōu)化支護程序，使圍巖變形情況得到有效的控制和改善。不僅如此，還要進行礦壓觀測，掌握礦壓規(guī)律，為工作改進提供依據(jù)。