復(fù)采煤層架棚掘進(jìn)工作面臨時(shí)支護(hù)技術(shù)的研究

劉立東

（霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)有限公司， 山西 運(yùn)城 043300）

引言

隨著我國煤炭資源的不斷開采利用，越來越多的優(yōu)質(zhì)整裝煤炭資源日益減少。20 世紀(jì)80 年代、90年代受我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展原因，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個(gè)體煤礦造成許多煤田的優(yōu)質(zhì)煤炭被以小煤窯巷采、房式等方式進(jìn)行了破壞性開采，煤炭資源回收率只有10%～30%。隨著我國煤炭開采技術(shù)發(fā)展水平的提高，利用各種技術(shù)將原有小煤窯破壞殘煤能夠再次復(fù)采并安全回收，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。復(fù)采與正規(guī)開采相比，影響因素多，技術(shù)難度大，在開采工藝、圍巖控制、頂板管理、小窯水害防治、有害氣體管控等方面都有很大不同，更為重要的是開采條件差、安全保障程度低。為了做到回采的安全順利，首先應(yīng)做到在復(fù)采煤層中巷道掘進(jìn)工作的安全可靠。因此，復(fù)采煤層掘進(jìn)工作是整個(gè)復(fù)采技術(shù)的關(guān)鍵之一。

1 復(fù)采煤層破壞現(xiàn)狀調(diào)查

河?xùn)|鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤炭開采歷史悠久，據(jù)記載民國三年（1914 年）就有小煤窯開采，當(dāng)時(shí)煤炭資源管理混亂，亂采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，中華人民共和國成立后，加強(qiáng)了對(duì)國有煤炭資源的管理，但鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個(gè)體煤礦仍采用落后的房式、巷式采煤法，2 號(hào)煤層沒有進(jìn)行過長壁式和大面積的正規(guī)采煤，煤炭資源回收率只有10%～30%。煤田內(nèi)還遺留有大量的殘煤，為使剩余殘煤能夠再次安全回收復(fù)采，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，通過這幾年的摸索實(shí)踐、統(tǒng)計(jì)、調(diào)查、交流，對(duì)復(fù)采煤層的破壞情況有了比較深入的了解，同時(shí)也摸索出了一整套開采技術(shù)工藝。

在復(fù)采煤層中，受原小煤窯不規(guī)則開采影響，某礦井2 號(hào)煤層掘進(jìn)工作面平均每100 m 揭露4～6處小窯破壞區(qū)，平均每100 m 受破壞區(qū)影響長度達(dá)50～70 m。該礦2 號(hào)煤層原有厚度為6.0 m，受小窯破壞后，煤層頂板整體下沉，現(xiàn)煤層厚度平均為3.5 m，煤質(zhì)松軟。掘進(jìn)過程中經(jīng)常受頂板破碎、小窯破壞區(qū)等影響，造成掘進(jìn)工作面迎頭出現(xiàn)冒頂、漏頂現(xiàn)象，平均冒落高度在1～10 m，處理冒落區(qū)支護(hù)就成了礦井復(fù)采煤層開采的最大不安全因素，復(fù)采煤層掘進(jìn)工作面合理支護(hù)形式選擇和掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)方式關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用及突破就成為了一項(xiàng)關(guān)建技術(shù)。

2 復(fù)采煤層中掘進(jìn)工作面常用支護(hù)技術(shù)方式選擇

2.1 錨桿錨索支護(hù)技術(shù)

在復(fù)采煤層中，利用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行施工，錨桿采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，長度為2.0 m，直徑為20 mm，錨桿間排距為0.8 m、0.8 m，錨索直徑為17.8 mm、長度為9.3 m，采用“2×2”布置間排距為2.0 m、1.6 m，全斷面鋪設(shè)金屬網(wǎng)。此種方法施工，由于原小窯破壞巷道煤層受頂板壓力作用，煤層整體變得松軟及部分風(fēng)化，巷道兩幫支護(hù)錨桿錨固強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，巷道兩幫成型無法得到滿足。巷道頂板支護(hù)在遇采空破壞區(qū)時(shí)，受頂板冒落影響，錨桿錨索需施工在實(shí)頂上，經(jīng)常出現(xiàn)人員在冒頂區(qū)下方作業(yè)和巷道超高現(xiàn)象，使得人員安全不能得到有效保障，巷道單進(jìn)水平低，掘進(jìn)出矸量大，同時(shí)巷道維護(hù)難度增大，故在復(fù)采煤層中不建議應(yīng)用此方法。

2.2 U 型棚支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足回采需要，做到安全掘進(jìn)，提高巷道掘進(jìn)單進(jìn)水平，采用U 型棚架棚支護(hù)方式，沿煤層底板掘進(jìn)，采用29U 型鋼加工，棚距為0.8 m，木板梁盤幫構(gòu)頂，全斷面鋪設(shè)單層金屬網(wǎng)，巷道凈寬4.2 m、凈高3.0 m。可伸縮支架搭接長度為500 mm，即棚梁與棚腿搭接長度為500 mm，并且在棚腿500 mm 處焊制擋板，阻止棚梁下滑和便于架棚時(shí)棚梁安裝。卡纜螺栓預(yù)緊力不低于180 N·m。金屬棚采用連體卡纜固定。掘進(jìn)期間，嚴(yán)格執(zhí)行短掘短支，掘進(jìn)一架，支護(hù)一架。工作面循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，最大空頂距1.0 m，最小空頂距0.2 m。此方法保證了巷道施工的質(zhì)量，提高了掘進(jìn)單進(jìn)水平，掘進(jìn)出矸量明顯減少，巷道頂、幫管理相對(duì)容易。針對(duì)煤層破壞程度不同，配合合理的臨時(shí)支護(hù)方式，做到了頂板安全管控，實(shí)現(xiàn)了復(fù)采煤層掘進(jìn)的安全可靠。

3 復(fù)采煤層中掘進(jìn)工作面架棚巷道臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 超前注漿配合輕型單體支柱臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)空巷、采空破壞區(qū)頂板破碎，周圍煤巖體空洞空間小，割煤期間垮落但巖石塊度較?。?0 cm 以下），采用超前注漿法為主，配合輕型單體支柱方式對(duì)破碎頂板超前加固臨時(shí)支護(hù)，確保在破碎帶下掘進(jìn)的施工安全。

在掘進(jìn)中揭露老空巷或采空區(qū)，導(dǎo)致巷道頂板冒落，冒落體積較大且壓實(shí)時(shí)，采用礦用新型化學(xué)加固材料對(duì)頂部空巷及破碎頂板進(jìn)行注漿充填加固。

3.1.1 注漿參數(shù)

1）注漿鉆孔深度4～6 m，直徑為42 mm；

2）注漿管的規(guī)格：選用1 m 拼接空心麻花鉆桿作注漿管；

3）注漿壓力：0.1～2 MPa。

注入漿液在地層裂隙內(nèi)形成一個(gè)基本的封閉注漿帷幕。

3.1.2 注漿加固施工方法

施工順序?yàn)榘踩珯z查→施工鉆孔→注漿→掘進(jìn)→單體支柱→架棚支護(hù)。

3.1.3 過密實(shí)采空區(qū)注漿加固設(shè)計(jì)

掘進(jìn)工作面揭露采空區(qū)為小塊破碎矸石堆積而成，矸石間隙小于10 mm、較松散，如圖1 所示采空揭露情況，可采用注漿加固頂板。

圖1 破碎壓實(shí)采空區(qū)及注漿鉆孔布置圖（單位：mm）

在掘進(jìn)工作面迎頭正中距底板2.5 m 處施工1號(hào)注漿孔，1 號(hào)孔與巷道同一方位并向上偏移45°，孔深3～4 m；兩側(cè)距正中1.5 m 距底板2 m 處各施工一個(gè)注漿孔（2 號(hào)、3 號(hào)），孔向巷幫偏移15°，并向上偏移45°，孔深3～4 m，具體根據(jù)現(xiàn)場情況確定，注漿孔與巷道掘進(jìn)方向一致并向上45°施工。

3.1.4 遇冒落有裂隙時(shí)注漿加固設(shè)計(jì)

掘進(jìn)工作面揭露采空區(qū)為較大塊矸石堆積而成，矸石間隙10～100 mm，矸石間相互咬合，如圖2所示采空揭露情況。

圖2 采空區(qū)為大塊矸石有裂隙注漿加固圖

棚梁上部漿液在棚梁上部破碎圍巖中能有效擴(kuò)散不向棚梁下漏時(shí)沿棚梁輪廓線施工加固孔，施工5 個(gè)孔，孔深2～2.5 m，水平方向傾角-20°～20°，豎直方向傾角45°～65°，單孔注漿量20 桶左右，對(duì)迎頭棚梁前方2 m 左右、上方1.5 m 左右頂板進(jìn)行加固。

3.2 履帶式自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車包括支護(hù)機(jī)構(gòu)、操縱系統(tǒng)、車架總成和行走機(jī)構(gòu)，車架總成為錐形框體結(jié)構(gòu)，框體內(nèi)部設(shè)有米字形支撐梁，車架總成的前端和后端分別設(shè)有將臺(tái)車撐起的支腳，車架總成的上部設(shè)有四個(gè)支護(hù)機(jī)構(gòu)和操縱系統(tǒng)，四個(gè)支護(hù)機(jī)構(gòu)呈口字形布置在車架總成的上部，支護(hù)機(jī)構(gòu)包括套筒、續(xù)接立柱和夾板，套筒套設(shè)在可伸縮的續(xù)接立柱的外部，續(xù)接立柱的底部固設(shè)在車架總成上，續(xù)接立柱的頂部設(shè)有將枕木加緊的夾板，夾板呈U 形，夾板的底部設(shè)有棘輪，通過轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪實(shí)現(xiàn)夾板的一個(gè)側(cè)板向另一個(gè)側(cè)板單向運(yùn)動(dòng)。其外部尺寸為長1.5 m、寬0.9 m。具有結(jié)構(gòu)緊湊，全液壓控制，操作方便靈活，履帶行走，機(jī)動(dòng)性好，省時(shí)、省力的優(yōu)點(diǎn)，解決了高冒區(qū)臨時(shí)支護(hù)難題。履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車，如下頁圖3 所示。

圖3 履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車

當(dāng)原空巷、采空破壞區(qū)直接頂已垮落充填，但基本頂完整且無離層現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)前方形成大面積空洞，為使人員在架棚及構(gòu)頂過程中不進(jìn)入前方空洞范圍內(nèi)作業(yè)，同時(shí)使前方架棚范圍內(nèi)頂板得以支護(hù)到位，自主研發(fā)了一臺(tái)履帶式自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車代替人工進(jìn)行木垛支設(shè)，就是將棚梁上方的“井”字型木垛由人工的由下而上逐層鋪設(shè)，改為機(jī)械式由上而下的逐層鋪設(shè)，木垛反向施工法。人員只需站立在永久支護(hù)下方進(jìn)行作業(yè)，臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車四根支柱兩兩交替作業(yè)，直致木垛接頂嚴(yán)實(shí)，人員再在下方進(jìn)行架棚作業(yè)，從而保證高冒區(qū)下的作業(yè)安全。此種臨時(shí)支護(hù)方法，在高冒區(qū)下可實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，同時(shí)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自移，使用時(shí)人員遠(yuǎn)程操作進(jìn)入工作面迎頭處，架棚作業(yè)完成后將設(shè)備移動(dòng)至綜掘機(jī)后方，不影響工作面空間。在操作時(shí)以木垛反向施工法，取代人工進(jìn)入空頂下作業(yè)，減少頂板不安全因素，做到復(fù)采煤層高冒區(qū)掘進(jìn)工作面本質(zhì)安全。目前自主研發(fā)的履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車已獲得國家實(shí)用新型專利（專利號(hào)為：ZL201920310013.7），同時(shí)審報(bào)了國家發(fā)明創(chuàng)造專利，目前正在審核過程中。履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車支護(hù)效果，如圖4 所示。

圖4 履帶自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車支護(hù)效果圖

3.3 前穿板梁臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)采煤層頂板正常情況下，架棚巷道采用前穿板梁支設(shè)臨時(shí)支護(hù)，在掘進(jìn)割完煤后采用長度大于棚距2 倍的木板梁，板梁的規(guī)格為長2.0 m、寬0.15 m、厚0.08 m。將兩塊木板梁直接沿頂板和巷道掘進(jìn)方向一致，一端伸入上一架棚梁上，一端跳住前方空頂?shù)姆绞?，使作業(yè)范圍內(nèi)頂板懸露面積減小，從而保證人員在架棚過程中的安全。

3.4 施工鋼釬臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

架棚巷道掘進(jìn)工作面揭露的破壞帶若已垮落充填但巖石塊度較大（20 cm 以上），采用施工鋼釬的方法預(yù)控頂板。鋼釬采用長度為2.5 m 的中空六角風(fēng)鉆桿進(jìn)行施工，將鋼釬采用機(jī)械形式，在迎頭第一架U 型棚梁上方以30°向上施工，鋼釬在棚梁下方外露20 cm，打入前方未掘巷道不小于2.0 m，鋼釬間距20～40 cm，平均每架棚梁上方施工15～20 根，鋼釬施工完成后，再向前掘進(jìn)，在下一架棚范圍內(nèi)形成鋼釬臨時(shí)控頂?shù)姆绞剑ㄒ欢嗽谂锪荷戏?，另一端在未掘進(jìn)破壞圍巖中受力），每支設(shè)一架棚為一個(gè)循環(huán)，保證了人員在下方的施工安全。同時(shí)，在巷道掘進(jìn)約30 m 后，可將架棚巷道后部已施工鋼釬進(jìn)行回收重復(fù)利用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鋼釬重復(fù)利用率可達(dá)到70%以上。

4 結(jié)論

在復(fù)采煤層掘進(jìn)過程中，選用U 型棚支護(hù)方式，摸索研究總結(jié)出了針對(duì)不同頂板破壞程度上架棚方式下的巷道臨時(shí)支護(hù)技術(shù)：采用超前注漿配合輕型單體支柱臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)、履帶式自移式臨時(shí)支護(hù)操作臺(tái)車臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)、前穿板梁臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)、施工鋼釬臨時(shí)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)來應(yīng)對(duì)復(fù)采煤層小窯破壞后的頂板支護(hù)管理，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的本質(zhì)安全。