巖巷“前探梁+穿鐵背板”臨時支護技術研究

魏垂勝

(河南能源化工集團有限公司 永城煤電控股集團有限公司車集煤礦，河南 永城 476600)

目前煤礦巖巷因多為直墻半圓拱斷面，且一些煤礦機械化程度相對較低，巖巷機載臨時支護難以實現(xiàn)，巖巷臨時支護多采用“前探梁+木背木”或打點柱的臨時支護方式，這兩種臨時支護方式均存在耗時長、過程易存在瞬時空頂、臨時支護后不牢固、不可靠的問題，而巖巷頂板事故多發(fā)生在臨時支護期間，且?guī)r巷的掘進效率嚴重影響著礦井的接替發(fā)展，臨時支護是巖巷掘進的重要環(huán)節(jié)，安全、高效、快速、便捷的巖巷臨時支護工藝是發(fā)展方向[1]。多年來，針對巖巷臨時支護存在的問題，國內(nèi)外學者不斷從提高機械化程度，使用機載臨時支護等方面進行研究，由于施工條件等影響，大多煤礦巖巷無法實現(xiàn)機載臨時支護，僅在煤巷實現(xiàn)機載臨時支護[2]。本文針對車集煤礦常規(guī)的“前探梁+木背木”或打點柱臨時支護存在的耗時長、過程不安全、效果不可靠的現(xiàn)狀進行了研究，提出了“前探梁+穿鐵背板”的臨時支護方案，并對臨時支護流程進行了規(guī)范和優(yōu)化，為巖巷安全高效的臨時支護發(fā)展提供了新的方向。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

車集煤礦為煤與瓦斯突出礦井，底板抽放巷的施工進度制約著礦井的發(fā)展，底板抽放巷一般為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，其中砂巖、砂質(zhì)泥巖所占比例大于80%，巖石硬度中等。

圖1 巖層綜合柱狀

1.2 車集煤礦巖巷常規(guī)臨時支護概況

車集煤礦巖巷常規(guī)臨時支護采用“前探梁+木背木”臨時支護或打點柱臨時支護。

“前探梁+木背木”臨時支護所用工具材料有前探梁、吊環(huán)、木背木，前探梁采用?59mm無縫鋼管加工，管壁壁厚不小于4mm，前探梁長度不小于3.5m，最長不超過4.2m，若超過4.2m仍不能滿足要求則縮短循環(huán)進尺，木背木采用優(yōu)質(zhì)松木加工，規(guī)格長×寬×厚=1200mm×150mm×30mm，吊環(huán)為使用6mm厚的鋼板加工成的閉合的環(huán)狀[3]。臨時支護流程：處理迎頭頂幫活矸危石(敲幫問頂)→安裝前探梁吊環(huán)→使用撐桿鋪網(wǎng)并連網(wǎng)到永久支護→穿前探梁→人員站在永久支護或可靠的臨時支護下逐排背背木→利用風動扳手緊前探梁吊環(huán)→檢查支護效果(不實、不緊采用木楔楔緊)。“前探梁+木背木”臨時支護方案如圖2所示。

圖2 “前探梁+木背木”臨時支護方案(mm)

打點柱臨時支護所用的工具材料有單體支柱、木背木，單體支柱為外注式，長度2500/2800mm，采用“單體支柱+背木”做臨時支護時，背木厚度不小于30mm，寬度不小于150mm，長度視循環(huán)進尺而定，但不得小于600mm，并確保臨時支護最前端距迎頭不超過300mm。臨時支護流程：敲幫問頂→使用撐桿鋪網(wǎng)至迎頭并連網(wǎng)到永久支護→人員站在永久支護或可靠的臨時支護下打注單體支柱、背木背木→檢查支護效果→使用防片幫網(wǎng)及撐桿對迎面墻進行防護[4]。

2 常規(guī)臨時支護存在的問題及原因分析

2.1 常規(guī)臨時支護存在的問題

車集煤礦巖巷常規(guī)“前探梁+木背木”臨時支護或打點柱臨時支護存在問題較多，是安全管理的難點，同時嚴重制約著巖巷進尺工效，問題主要表現(xiàn)在：

1)臨時支護時間較長。車集煤礦“前探梁+木背木”臨時支護或打點柱臨時支護耗時較長，一般完成一次臨時支護需要時間40min以上，有時甚至一個小時以上，嚴重影響著巖巷掘進工效[5]。

2)臨時支護過程不安全。“前探梁+木背木”臨時支護時人員需要站在已臨時支護的區(qū)域?qū)ξ磁R時支護的區(qū)域進行臨時支護，但是已臨時支護區(qū)域由于前探梁未緊固，容易出現(xiàn)已背的木背木掉落傷人、前探梁掉落傷人等事故，同時職工在操作過程中為了節(jié)省時間，操作不當極易出現(xiàn)瞬間空頂作業(yè)的現(xiàn)象[6]。打點柱臨時支護時人員需要向空頂處伸長胳膊進行作業(yè)，容易出現(xiàn)空頂作業(yè)，同時容易出現(xiàn)木背木、矸石掉落傷人事故。

3)臨時支護結束后安全效果差?！扒疤搅?木背木”臨時支護結束后在打錨桿擾動頂板的過程中容易出現(xiàn)木背木掉落傷人事故，臨時支護效果不夠安全可靠。而打點柱臨時支護，單體支柱與頂板接觸面積小，容易出現(xiàn)矸石掉落傷人事故。

4)投入成本高?！扒疤搅?木背木”臨時支護或打點柱臨時支護均需要使用木背木，且受井下陰暗潮濕環(huán)境的影響，木背木極易腐朽，需要不斷更換木背木，造成木材消耗量大，同時單體支柱價格較高且容易損壞，整體“前探梁+木背木”臨時支護或打點柱臨時支護投入成本較高。

2.2 常規(guī)臨時支護存在的問題原因分析

1)思想上求穩(wěn)怕變。長期以來，煤礦工程技術人員及管理人員習慣了常規(guī)的臨時支護方式，存在較為嚴重的求穩(wěn)怕變思想。

2)不能深入查找存在問題的根本原因并研究制定科學合理的臨時支護方式?！扒疤搅?木背木”臨時支護耗時較長的根本原因是在臨時支護過程中，木背木搭在前探梁上，各支護構件之間難以達到一個平衡點，支護過程中互相影響，需要不停的調(diào)節(jié)各個木背木及前探梁以達到平衡；“前探梁+木背木”臨時支護安全效果差的根本原因是前探梁與木背木未連接固定等。打點柱耗時長的根本原因是受高度限制需要挖柱窩等，不安全的根本原因是人員需要探出手臂進行作業(yè)等。

3 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護原理與工藝設計

3.1 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護技術原理

將每個鐵背板中部穿在相應的前探梁上，使得每一組前探梁和鐵背板相對孤立，避免了支設臨時支護時相互影響，節(jié)約了時間臨時支護時間，同時鐵背板是穿在前探梁上并進行閉鎖，不會出現(xiàn)背板掉落等傷人事故[7]。“前探梁+穿鐵背板”進行臨時支護時人員站在永久支護下穿鐵背板后翹起前探梁即可完成整改臨時支護過程，不存在空頂作業(yè)等，能夠保證過程絕對安全。

3.2 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護用具

“前探梁+穿鐵背板”臨時支護用具包括：前探梁、吊環(huán)、鐵背板。

前探梁：采用2寸無縫鋼管加工，管壁壁厚不小于4mm，前探梁長度不小于3.5m，最長不得超過4.2m，若超過4.2m仍不能滿足使用要求時，應縮小循環(huán)進度。

鐵背板：使用廢舊鋼板或其它廢舊鋼材加工，寬度不小于100mm、長度不小于1000mm、厚度不小于8mm，并加工成半徑不小于3m的弧狀，在弧形鐵背板的內(nèi)側焊接一個3吋鋼管截取的套筒(或其它環(huán)形結構)，并在套筒上設置閉鎖裝置[8]。

吊環(huán)：采用6mm厚的扁鐵加工成閉合的形狀，兩邊間隔50mm打上?20mm的孔，插銷使用?18mm鋼筋加工制作，兩端內(nèi)側焊M24螺母。

3.3 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護工藝流程

工藝流程：敲幫問頂→將吊環(huán)安裝在最前端兩排永久支護錨桿上(全部安裝或分別安裝預穿前探梁的吊環(huán))→使用撐桿鋪巷道正中兩片網(wǎng)并連網(wǎng)至永久支護(要求中間兩片網(wǎng)的連接線與巷道中心線一致)→穿頂板正中一根探梁及鐵背板并調(diào)整鐵背板位置，同時通過旋轉(zhuǎn)手柄對鐵背板進行閉鎖→人員站在永久支護下翹起前探梁并在吊環(huán)中插入插銷固定頂板正中一根前探梁及鐵背板→用同樣的方法自中間向兩側鋪網(wǎng)并安設前探梁及鐵背板→對鐵背板進行閉鎖→檢查支護效果(不緊、不實使用木楔楔緊)→對迎面墻及兩幫裸露巖石進行防護。

3.4 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護方案

“前探梁+穿鐵背板”臨時支護方案如圖3所示，前探梁使用數(shù)量要求：巷道毛寬3m(含3m)以下使用不低于2根，毛寬3～4m(含4m)使用不低于3根，毛寬4～5m(含5m)使用不低于4根，毛寬5～6m(含6m)使用不低于5根，以此類推，毛寬每增加1m，前探梁數(shù)量增加1根[9]。使用2根前探梁時，每根前探梁穿2根鐵背板；使用3根前探梁時，中間一根前探梁穿1根鐵背板，兩側前探梁各穿2根鐵背板；使用4根前探梁時，每根前探梁均穿2根鐵背板；使用5根前探梁時，前探梁自左向右依次穿“二·一·二”根鐵背板[10]。

圖3 “前探梁+穿鐵背板”臨時支護方案(mm)

臨時支護時前探梁必須垂直迎頭、相互平行布置，每根前探梁至少使用2個吊環(huán)吊掛，兩個吊環(huán)間距為頂錨桿排距，且吊環(huán)間距不得小于600mm(若現(xiàn)場條件確實無法滿足最小間距時可在該前探梁左或右400mm內(nèi)補打一根單體支柱進行加強支護)，前探梁尾部超出吊環(huán)不少于100mm，前探梁臨時支護距迎頭不大于300mm[11]，前探梁互相間距與頂錨桿間距相同，且不大于900mm，安裝前探梁吊環(huán)的相鄰兩排錨桿成線左右錯差不得超過50mm，以保證前探梁最前端間距不得大于1.2m，靠幫前探梁與巷幫距離為頂錨桿間距+300mm，且不大于1200mm，靠幫鐵背板與巷幫距離不大于400mm[12]。鐵背板安裝后最前排鐵背板距離迎面墻不大于600mm，迎面墻向后第二、三排鐵背板均勻布置控制頂板，鐵背板與巷道掘進方向垂直并進行閉鎖。掛吊環(huán)的錨桿尾露出螺帽30～40mm，前探梁吊環(huán)螺絲必須擰緊，無滑絲跡象，前探梁吊環(huán)要求固定可靠。

4 臨時支護效果及效益分析

1)臨時支護時間大幅度縮短，提高了工效。使用“前探梁+穿鐵背板”臨時支護時，鐵背板穿在前探梁上后翹起前探梁插入插銷后即完成一組的安裝，安裝時間短，整個臨時支護過程最多需要20min就能完成，是以往臨時支護時間的1/2，節(jié)約了時間，提高了工效，避免了職工延點工作，提高了職工的幸福指數(shù)，符合當前以人為本的工作理念[13]。

2)臨時支護過程絕對安全。“前探梁+穿鐵背板”臨時支護時，人員均在永久支護下操作完成，不需要人員站在臨時支護下或身體某一部分探入空頂下作業(yè)，能夠保證過程安全。提高了臨時支護過程的安全管理效果，符合礦井安全高效發(fā)展的總體要求[14]。

3)支護效果安全可靠。使用鐵背板代替木背木臨時支護，支護強度大，同時鐵背板穿在前探梁上并通過閉鎖固定在前探梁上，不存在背板掉落等安全風險。

4)降低材料成本。木背木會腐朽，需要不斷更換，鐵背板采用廢舊鋼材加工，且一次性投入永久性使用[15]，極大降低了成本投入。車集煤礦巖巷使用“前探梁+穿鐵背板”臨時支護后，施工工效明顯提高，巷道平均單進可提高5m，目前車集煤礦在掘巖巷為5條，按每米節(jié)約人工成本6000元計算，車集煤礦每年可節(jié)約人工成本180萬元。同時每月每個巖巷掘進工作面可節(jié)約木材1000元，每年可節(jié)約木材6萬元。車集煤礦巖巷使用“前探梁+穿鐵背板”臨時支護每年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益186萬元。

5 結 語

“前探梁+穿鐵背板”臨時支護縮短了臨時支護時間、保證了臨時支護過程的安全，同時臨時支護后效果牢固可靠，并節(jié)約了巷道施工成本，提高了單進水平，有利于緩解礦井采掘接替緊張的局面[16]。該技術促進了礦井安全高效的發(fā)展，具有較好的應用及推廣前景，能夠產(chǎn)生較大的社會效益。