新型快速掘進迎采動壓巷道支護技術的應用

張 鑫

(山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033602)

隨著智能化采煤工藝及自動化回采設備的廣泛應用，綜采工作面的回采速度大幅提升，而巷道掘進支護技術和設備的發(fā)展卻相對緩慢，導致采掘銜接趨于緊張，影響礦井的均衡生產[1-4]. 因此，快速掘進支護體系的建立成為構建新回采工作面，緩解采煤銜接交替緊張的關鍵技術。

目前，掘進工作面大多采用“人工架設臨時支護+人工永久支護”的支護工藝進行巷道支護，該支護工藝勞動強度大、安全系數低、人工消耗大，嚴重制約了掘進效率的提升。通過對臨時支護和永久支護進行研究，設計出“滑移式臨時支護裝置+液壓錨桿鉆車”的快速掘進支護體系控制迎采動壓巷道頂部巖體。

1 工程概況

斜溝煤礦18106綜采工作面位于11采區(qū)南翼，工作面埋藏深度為142～398 m，可采走向長度為3 648.7 m，傾向長度為296.7 m. 煤層厚度平均為6.14 m，煤層傾角為9.2°，上覆直接頂為中細粒砂巖，厚度為2.46 m，巖層普式硬度為6～8，基本頂為中粗粒砂巖，厚度為11.04 m，巖層普式硬度為5～7. 其中,18106材料巷東側為正在回采的18108綜采工作面及采空區(qū)，留設有20 m的保護煤柱，屬于典型的迎采動壓巷道。

2 臨時支護

2.1 自然平衡拱理論計算

由自然平衡拱理論可知，巷道開挖后在其上覆巖體的作用下會在巷道頂部巖體中形成一個自然平衡拱，位于拱形結構以上的巖層是相對穩(wěn)定的，而拱形結構下方巖層是巷道支護的重點區(qū)域[5]. 作用在巷道頂部的圍巖壓力就是平衡拱內巖體的自重，自然平衡拱受力分布圖見圖1.

b1—拱的矢高 b—拱高 a—巷道半寬a1—自然平衡拱的最大跨度 h—巷道高度q—最大圍巖壓力 c—拱差圖1 巷道自然平衡拱示意圖

拱的矢高：

式中：

φ—巖體內摩擦角，(°)，取43.7；

f—巖層普式系數，取5～8.

巷道頂部圍巖最大壓力：

q=γb1=12.5～22.5(kN/m2)

式中：

γ—巖體體積力，kN/m3，取25.

臨時支護工作阻力下限：

F=qL1B=687.5～1 237.5(kN)

式中：

L1—最大控頂距，m，取10；

B—巷道寬度，m，取5.5.

2.2 臨時支護裝置選擇

快速掘進期間永久支護滯后掘進機截割點過遠，需采用能夠自移的臨時支護裝置，同時要求最大控頂距10 m范圍內的臨時支護裝置初撐力不得低于1 237.5 kN. 通過實地調研，最終選用遼寧天安科技有限公司生產的ZLH2×1040/30/44型滑移式臨時支護裝置，見圖2.

2.3 臨時支護工藝及注意事項

采用滑移式臨時支護裝置后，快速掘進支護工藝改進為：掘進機割煤→滑移式臨時支護裝置前梁收回，將鋼筋網及鋼帶固定在固定架上，將前梁向上升

圖2 滑移式臨時支護裝置結構圖

起接頂→收縮、前移主立柱(移動主架)→伸出主立柱至接好頂板(主架到位固定)→收縮、前移輔立柱(移動輔架)→緊跟滑移式臨時支護裝置進行永久支護。

根據現場應用反饋，使用時應注意：1) 收縮主(輔)立柱時，要收至距地面高400 mm. 2) 利用操作閥控制主(輔)立柱前移時，要保持左右同步。3) 主(輔)立柱到位后，要將柱腿下方的底板清至硬底。

2.4 臨時支護裝置優(yōu)勢

該臨時支護裝置采用多柱支撐，整體框架穩(wěn)定性好、初撐力小易于頂板控制；整體鉸接的排式交錯剛性順梁具有很好的接頂性，可及時支護掘進后新暴露的頂板，有利于維護頂板的完整性；橫梁和順梁較短，重量輕穩(wěn)定性較好，便于運輸、安裝和拆卸；與傳統(tǒng)的前探梁、單體支柱等臨時支護設備相比，可實現全液壓控制，移架步距大，可適應快速掘進對支護時間和空間的要求，顯著提升掘進至永久支護期間各施工工序銜接過渡的安全性能，降低工人勞動強度，實現對巷道掘進后暴露頂板的快速機械化臨時支護。

3 永久支護

3.1 永久支護設計

受18108綜采工作面回采時的超前支承應力及采空區(qū)上覆巖層運移動壓影響，對18106材料巷支護設計需采用“強幫強頂”的方案消除迎采動壓影響。18106材料巷斷面設計為矩形，巷道寬5.5 m，高3.8 m，采用錨網索的聯合支護形式。頂部錨桿采用d22 mm×2 600 mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，錨索采用d21.6 mm×5 500 mm的鋼絞線，間排距為1 275 mm×2 000 mm；保護煤柱幫部采用d22 mm×2 600 mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨索采用d21.6 mm×3 500 mm的鋼絞線，間距為1 000 mm；工作面幫部采用d20 mm×2 100 mm的玻璃鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm.

3.2 工序優(yōu)化

軟巖支護理論認為，在成巷期進行支護時，前期主要靠錨桿的柔性支護，用以加固巷道周圍淺部圍巖，后期則是發(fā)揮了錨索的懸吊作用，將淺部松動的巖石懸吊在深部穩(wěn)定的巖層中。錨桿和錨索發(fā)揮支護作用存在時差，并未同時加強支護，只是相互取長補短，改善巷道各支護構件的協(xié)調關系，提升支護系統(tǒng)整體支護性能，起到控制圍巖大變形的作用[6]. 其次，巷道采用錨桿、錨索聯合支護時，由于預應力錨索在實際應用中的承載能力和延伸率往往不能達到鋼絞線力學性能實驗的指標，易發(fā)生錨索尚未發(fā)揮作用就產生破斷的現象。因此，在18106材料巷支護中，為充分發(fā)揮支護系統(tǒng)整體支護性能，應先支護錨桿，滯后一定距離，待圍巖變形能釋放后再支護錨索。

而在支護施工中，由于支護強度大、支護密集，使得支護工序占據了大部分時間，制約快速掘進的實現[6]. 因此，縮短支護時間，提高支護速度成為提高成巷速度的關鍵，這就要求采用一種新型的快速支護設備用于錨桿(索)的支護。通過實地調研，最終選用山西天巨重工機械有限公司生產的CMM5-30Y型礦用液壓錨桿鉆車，見圖3.

圖3 錨桿鉆車圖

該型錨桿鉆車由行走機構、機體部、前鉆臂部、中鉆臂部、下鉆臂部、護板部、油箱泵站、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等九大部分構成，在設計上采用電磁閥加遙控實現遠程控制行走。機體部整體式設計，增大履帶內寬，增高機身內高度，適合跨騎帶式輸送機的尺寸要求，且優(yōu)化了設備的裝配結構，整機的性能更穩(wěn)定。五套鉆臂裝置的鉆孔推進器可實現不同位置和角度的旋轉，且能平行配合作業(yè)，完成頂、幫錨桿錨索孔的機械化施工。鉆臂水平移動與兩級升降的耦合，可實現液壓錨桿鉆車三維高效鉆進，提高了鉆進效率。方筒滑道式豎直滑動技術采用整體機構經精加工成形，實現升降平臺豎直方向滑動，與整體水平移動配合作業(yè)，上下平行、高效施工。動力部分采用大功率液壓馬達驅動技術，實現頂板與幫部錨桿錨索獨立施工作業(yè)，提高施工效率，改善工作環(huán)境，與滑移式臨時支護裝置協(xié)同配合，實現掘進支護作業(yè)快速化、連續(xù)化、高效化。

3.3 永久支護裝置優(yōu)勢

現場采用液壓錨桿鉆車永久支護時，前部、中部、后部鉆臂可實現平行支護作業(yè)，其中前部鉆臂施工巷道兩側頂角處錨桿(索)，中部鉆臂施工巷道頂板中部錨桿(索)，后部鉆臂施工巷道兩側幫部錨桿(索)，與氣動錨桿鉆機相比，具有很大的優(yōu)勢，見表1.

表1 使用效果對比表

4 現場試驗效果

4.1 鉆孔窺視效果分析

通過在現場打設窺視鉆孔，觀測18106材料巷頂板巖體的運移情況，可以發(fā)現在距巷道頂板2.1 m、2.5 m處有離層，距巷道頂板3.5 m、3.7 m處有橫向裂隙，說明受迎采動壓影響，18106材料巷頂部各巖層出現了不同程度地下沉，尤其在直接頂與基本頂結合面附近更為明顯。由于加強了支護強度、優(yōu)化了支護工序，離層量較小，裂隙發(fā)育較緩，見圖4.

圖4 鉆孔局部柱狀圖

4.2 礦壓在線監(jiān)測分析

隨著18108回采工作面的不斷推進(沿工作面推進方向，以監(jiān)測點位于工作面前方為負，后方為正)，18106材料巷圍巖變形量、圍巖受力逐漸增大。迎采動壓下巷道圍巖受力及表面位移變化情況見圖5.

圖5 巷道圍巖受力及表面位移變化情況圖

當18108回采工作面推進至監(jiān)測點前方100 m時，監(jiān)測點處頂板下沉量、圍巖應力開始逐漸增大；當18108回采工作面推進至監(jiān)測點后方40 m附近時，頂板下沉速率達到最大值35 mm/d，圍巖應力達到最大值365 kN. 隨著18108回采工作面繼續(xù)推進遠離監(jiān)測點，圍巖應力有所降低，頂板下沉量趨于穩(wěn)定。說明采用“滑移式臨時支護裝置+液壓錨桿鉆車”的快速掘進支護體系能夠對巷道進行有效支護。

4.3 快速掘進指標分析

掘進進尺是衡量掘進速度的一個重要指標，通過對現場各月掘進進尺的變化情況(圖6)進行分析，可有效檢測快速掘進支護體系對掘進效率的影響。

圖6 月進尺變化情況圖

由圖6可知，快速掘進支護體系應用前掘進進尺每月平均僅為211 m，應用快速掘進支護體系后每月進尺提高，截止2019年12月掘進進尺已達450 m，比之前增加了一倍多。說明采用“滑移式臨時支護裝置+液壓錨桿鉆車”的快速掘進支護體系能夠有效提升掘進效率。

5 結 論

1) 基于斜溝煤礦淺埋深綜采工作面頂板特殊控制結構，設計采用“滑移式臨時支護裝置+液壓錨桿鉆車”的快速掘進支護體系控制迎采動壓巷道頂部巖體。

2) 采用頂板鉆孔窺視和礦壓在線監(jiān)測相結合的分析手段對掘進期間的巷道頂部巖體運移進行了分析，分析結果表明：由于加強了支護強度、優(yōu)化了支護工序，離層量較小，裂隙發(fā)育較緩。隨著回采工作面接近、遠離監(jiān)測點，圍巖應力、頂板下沉速率呈現先增大后減小的變化趨勢。

3) 通過對現場各月掘進進尺的變化情況進行分析，可發(fā)現隨著快速掘進支護體系的應用，掘進進尺逐月提高，有效地提升了掘進效率。