復(fù)雜地質(zhì)條件下快掘配套走向梁支護(hù)技術(shù)研究

高健銘，韓長(zhǎng)路

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307；2.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵一號(hào)煤礦核定生產(chǎn)能力600萬(wàn)t/a，井田面積197.35 km2，可采儲(chǔ)量3.4億t。2號(hào)煤層是礦井主要可采煤層，煤層傾角一般在1°～6°，煤厚0.9～4.62 m，均厚2.69 m，煤層結(jié)構(gòu)屬簡(jiǎn)單-較復(fù)雜類型，含夾矸0～3層。礦井采用平硐、斜井聯(lián)合開(kāi)拓，盤區(qū)式開(kāi)采布置方式，現(xiàn)主要生產(chǎn)盤區(qū)為六盤區(qū)和十盤區(qū)。礦井采用單水平開(kāi)拓，主要大巷沿煤層布置，采煤工藝采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

2013年一號(hào)煤礦在十盤區(qū)1001工作面開(kāi)始進(jìn)行較薄煤層智能化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)工程實(shí)踐，2014年5月通過(guò)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)專家組鑒定，隨后在較薄煤層智能化開(kāi)采技術(shù)成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，黃陵一號(hào)煤礦加快智能化開(kāi)采技術(shù)推廣和示范應(yīng)用工作。2015年開(kāi)始在802工作面進(jìn)行中厚煤層智能化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用工程實(shí)踐，截至2020年底，一號(hào)煤礦已完成16個(gè)智能化工作面回采任務(wù)，累計(jì)回采煤炭2 605.6萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)了礦井薄煤層、中厚煤層智能化開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用的全覆蓋。

隨著一號(hào)煤礦開(kāi)采范圍擴(kuò)大，開(kāi)采深度加劇，巷道圍巖地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，回采巷道受到二次采動(dòng)影響后，出現(xiàn)頂板下沉、兩幫移近、底鼓加劇等現(xiàn)象，已無(wú)法滿足智能化綜采工作面生產(chǎn)需要。礦井綜采工作面智能化水平不斷提高，但掘進(jìn)工作面仍采用傳統(tǒng)裝備，EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)、DPS-1040皮帶、MQT-130型氣動(dòng)錨桿機(jī)鉆機(jī)、ZQS-50型風(fēng)動(dòng)手持式鉆機(jī)等需要消耗大量人力的設(shè)備，掘進(jìn)效率低下，每月單進(jìn)300 m，嚴(yán)重制約著礦井生產(chǎn)接續(xù)平衡。

1 巷道掘進(jìn)條件

1.1 工作面位置及井上下關(guān)系

1008進(jìn)風(fēng)順槽位于十盤區(qū)中部，東接北一進(jìn)風(fēng)大巷，西鄰六盤區(qū)。1008進(jìn)風(fēng)順槽向南30 m保護(hù)煤柱為1007回風(fēng)順槽，巷道已掘到位，向北235 m為1008回風(fēng)順槽，巷道正在掘進(jìn)。1008進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 847 m。

1008進(jìn)風(fēng)順槽對(duì)應(yīng)地面位置位于一號(hào)煤礦四號(hào)風(fēng)井西部，工作面對(duì)應(yīng)上部地表為低山林區(qū)和臺(tái)地，有燒火溝穿過(guò)，上覆巖層厚度為266～440 m。

1.2 煤層及頂?shù)装迩闆r

1008進(jìn)順沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)。2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傾角1°～4.5°，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度變化為1.8～2.2 m，平均厚度2.1 m，屬穩(wěn)定煤層。

工作面老頂為細(xì)粒砂巖和中砂巖共生，平均厚度7.1 m。中砂巖分選性較差，泥質(zhì)膠結(jié)；細(xì)粒砂巖灰白色，中部夾有薄層泥巖。

直接頂為粉砂巖和泥巖共生，平均厚度7.7 m。粉砂巖深灰色、灰黑色，鈣質(zhì)膠結(jié)，中夾薄層中砂巖及砂質(zhì)泥巖；泥巖為灰黑色，局部含少量粉砂巖，層理不明顯。

底板為泥巖，平均厚度2.5 m，易破碎，遇水膨脹，易底鼓。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造情況

1008進(jìn)順開(kāi)口至切眼掘進(jìn)方向整體為下坡。根據(jù)勘探報(bào)告，1008進(jìn)順鄰近F5正斷層，掘進(jìn)過(guò)程中受F5正斷層影響可能揭露伴生斷層。

1.4 水文地質(zhì)情況

1008進(jìn)順主要水源為頂板含水層水和構(gòu)造水。頂板主要含水層為直羅組下段砂巖含水層，巖性主要為粗粒砂巖和中粒砂巖，平均厚度35.8 m；隔水層主要為延安組2號(hào)煤層以上至直羅組底界所組成的隔水層，巖性為泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度109.8 m。工作面主要隔水層為相對(duì)含水層，掘進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)頂板淋水等現(xiàn)象。

2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.1 原支護(hù)參數(shù)

1008進(jìn)順為矩形巷道，掘?qū)?.0 m，掘高2.8 m；頂板采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿+T140新型鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)巷道設(shè)計(jì)寬度和工作面使用超前臨時(shí)支護(hù)裝置情況，頂錨桿靠幫側(cè)2根錨桿間距900 mm、中間4根錨桿間距850 mm，錨桿排距1 000 mm交替支護(hù)，“六-六”矩形布置，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗MSK2335型樹脂3節(jié)；錨索梁采用T140新型鋼帶長(zhǎng)4.6 m，一梁四索，排距2 000 mm，采用φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每根消耗MSK2370型樹脂3節(jié)。原支護(hù)參數(shù)平面布置如圖1所示。

圖1 1008進(jìn)順原支護(hù)參數(shù)平面布置Fig.1 Plane layout of the original support parameters of 1008 air inlet roadway

2.2 優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)

2.2.1 理論計(jì)算

依據(jù)懸吊理論，結(jié)合前文所述1008進(jìn)風(fēng)順槽煤層及頂?shù)装迩闆r表、鉆孔柱狀圖地質(zhì)資料，參考1008進(jìn)順頂板以上20 m范圍巖性勘查成果圖，校核支護(hù)強(qiáng)度。

錨桿長(zhǎng)度校核：按懸吊作用計(jì)算錨桿的長(zhǎng)度，應(yīng)滿足

L≥L1+L2+L3

式中，L為錨桿總長(zhǎng)度，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.05 m；L2為有效長(zhǎng)度(頂部取免壓拱高b)，m；L3為錨入巖(煤)層內(nèi)深度，取0.6 m。其中

式中，B，H為巷道寬度、高度，分別為5.0 m、2.8 m；f頂為頂板巖石普氏系數(shù)，2～3.2，取最小值2；ω為兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角，ω=arctanf頂。

經(jīng)計(jì)算得出：b=1.63 m，頂錨桿長(zhǎng)度L≥2.28 m。根據(jù)推導(dǎo)，頂錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.5 m，滿足要求。

錨桿間排距校核：按錨桿所能懸吊的重量校核，應(yīng)滿足

經(jīng)計(jì)算得出：頂錨桿α<1.32 m，幫錨桿α<2.1 m。根據(jù)推導(dǎo)，頂部錨桿、幫部錨桿設(shè)計(jì)間排距，均能滿足要求。

錨索長(zhǎng)度校核：錨索長(zhǎng)度應(yīng)滿足

L=La+Lb+Lc+Ld

式中，L為錨索總長(zhǎng)度，m；La為錨索錨入穩(wěn)定基巖層的錨固長(zhǎng)度(La≥Kd1fa/4fc)，m；Lb為需在不穩(wěn)定巖層懸吊的厚度，m，根據(jù)黃陵一號(hào)煤礦地質(zhì)資料取6.2 m；Lc為托板及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為外露張拉長(zhǎng)度，取0.3 m。K為安全系數(shù)，取2；d1為錨索直徑，取最小值17.8 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，查表為1 860 N/mm2；fc為錨固劑與錨索的粘合強(qiáng)度，取10 N/mm2。

經(jīng)計(jì)算得出：La≥1.65 m，L≥8.25 m。因此，錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度8.3 m，可滿足要求。

錨索排距校核：按照懸吊理論錨索排距應(yīng)滿足

式中，L為錨索排距，m；n為錨索排數(shù)，取1；B為巷道冒落的最大寬度，6.32 m；H為巷道最大冒落高度，取錨桿的最大支護(hù)長(zhǎng)度2.5 m；γ為巖體容重，取26 kN/m3；L1為錨桿排距，取1 m；F1為錨桿錨固力，取150 kN；F2為錨索極限承載力，φ17.8 mm錨索承載力為360 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，90°。

經(jīng)計(jì)算得出：L≤2.91 m。根據(jù)推導(dǎo)，錨索梁設(shè)計(jì)排距2 m，能夠滿足使用。

每排錨索根數(shù)校核：每排錨索根數(shù)應(yīng)滿足

式中，N為錨索數(shù)目；K為安全系數(shù)，2；P斷為錨索破斷力的最低值，鋼絞線直徑為φ17.8 mm時(shí)為360 kN；W為被懸吊巖石的自重(W=B×∑h×∑γ×D)，kN；B為巷道寬度，5.0 m；D為錨索間排距，取0.8 m；∑h為懸吊巖石厚度，取6.2 m；∑γ為懸吊巖石平均容重，26 kN/m3。

計(jì)算得N≥4(3.73取整)，即排距2 m，巷寬5 m范圍錨索數(shù)量最少為4根。

2.2.2 優(yōu)化后走向梁支護(hù)參數(shù)

采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿中間四排間距850 mm，靠?jī)蓚?cè)兩排間距900 mm，排距為1 000 mm，“六-六”矩形布置；錨索梁采用T140新型鋼帶加工，梁長(zhǎng)為4.6 m和4.4 m的2種，均為一梁四索，4.6 m錨索梁排距為2 000 mm，4.4 m錨索梁排距為1 600 mm，每組間距1.6 m，4.4 m錨索梁與4.6 m錨索梁呈桁架結(jié)構(gòu)布置，錨索均采用φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每根消耗MSK2370型樹脂3節(jié)；巷道全斷面掛塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×55 mm。如圖2所示。

圖2 1008進(jìn)順優(yōu)化后走向梁支護(hù)參數(shù)平面圖Fig.2 Plan view of strike beam support parameters after optimization of 1008 air inlet roadway

3 配套快掘裝備

隨著煤炭行業(yè)裝備技術(shù)水平發(fā)展，現(xiàn)代化大型礦井不斷增加，礦井采煤速度越來(lái)越快，但掘進(jìn)速度卻沒(méi)有明顯提高。采、掘失衡已成為制約我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展的主要因素。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)效率低的主要矛盾在于掘、支不平衡，每個(gè)作業(yè)循環(huán)中，掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)間約占16%～33%，支護(hù)時(shí)間約占49%～65%，掘進(jìn)速度相對(duì)較快，但支護(hù)作業(yè)占用了多半的時(shí)間。

根據(jù)現(xiàn)代化大型礦井發(fā)展需求，大力發(fā)展“掘、支平行作業(yè)”裝備及工藝，提高支護(hù)作業(yè)效率，是解決掘進(jìn)效率低下的關(guān)鍵。由于煤炭賦存條件千差萬(wàn)別，很難研制出一套適用于各種地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備。因此，在“掘、支平行作業(yè)”理念的指導(dǎo)下，因地制宜地設(shè)計(jì)適應(yīng)某種地質(zhì)條件的快掘系統(tǒng)是較好的辦法。

結(jié)合黃陵一號(hào)煤礦地質(zhì)條件，提出掘進(jìn)機(jī)超前支護(hù)快掘系統(tǒng)，該系統(tǒng)由掘進(jìn)機(jī)、超前支架和運(yùn)錨機(jī)組成，如圖3所示，該套裝備主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。適用于頂板完整性較差，需采用臨時(shí)性支護(hù)的煤及半煤巖巷道，較小斷面巷道掘進(jìn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)單進(jìn)水平提高至576 m。

圖3 掘進(jìn)機(jī)超前支護(hù)快掘系統(tǒng)Fig.3 Advance support and rapid excavation system of roadheader

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters 單位：m

掘進(jìn)機(jī)連續(xù)向前割煤掘進(jìn)，交錯(cuò)式邁步液壓支架對(duì)新掘巷道頂板進(jìn)行臨時(shí)性支護(hù)，運(yùn)錨機(jī)在皮帶轉(zhuǎn)載的同時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)。一個(gè)作業(yè)循環(huán)完成后，掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)，超前支架交錯(cuò)式邁步向前行走，空頂始終處于支護(hù)狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)錨機(jī)拉動(dòng)二運(yùn)向前行走，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

采用走向梁支護(hù)技術(shù)，可以有效減少運(yùn)錨機(jī)支護(hù)作業(yè)過(guò)程中對(duì)巷道風(fēng)筒、管路等影響，提高了頂板支護(hù)效率，確保了巷道支護(hù)安全作業(yè)，為回采巷道實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

為更好滿足智能化綜采設(shè)備的運(yùn)行，提供良好的開(kāi)采條件，根據(jù)礦井地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出回采巷道走向梁支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“一次支護(hù)，永不返修”的目標(biāo)，同時(shí)滿足快速掘進(jìn)配套裝備的使用，掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)“掘、支平行作業(yè)”，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的目的，以緩解礦井采掘接續(xù)緊張的被動(dòng)局面，為礦井智能開(kāi)采提供有效保障。