煤礦大斷面巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)

王 誠

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 工程背景

某煤礦A工作面煤層結(jié)構(gòu)平均厚度為3.14m，平均傾角為4°，埋深160～390m。該煤層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，勘探發(fā)現(xiàn)存在帶狀、塊狀的煤層，同時(shí)還有1～2層泥巖夾矸石。其中上層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，厚度在0.1～0.3m 之間。下層夾矸的穩(wěn)定性比較差，影響總體的開采效果。在該工作面中膠帶巷為主進(jìn)風(fēng)巷，斷面結(jié)構(gòu)尺寸為5.5m×3.6m。A 工作面膠帶巷巷道設(shè)計(jì)3193m，當(dāng)前已經(jīng)開采作業(yè)199m，發(fā)現(xiàn)在巷道兩側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞情況，故而為提升工程穩(wěn)定性，需要加強(qiáng)掘進(jìn)支護(hù)。

2 巷道圍巖變形機(jī)理分析

2.1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)窺視

工程實(shí)踐階段，為了充分地掌握A 膠帶巷圍巖發(fā)生變形的原因，需要分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成形式。本工程通過使用鉆孔勘探的方式對(duì)于工作面上覆層10m區(qū)間內(nèi)的巖層展開檢測，從而掌握相關(guān)信息，該工程頂板綜合柱狀見圖1。

圖1 頂板綜合柱狀圖

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)該鉆孔范圍內(nèi)的節(jié)理發(fā)育裂隙比較明顯，巖層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能比較差。同時(shí)經(jīng)過勘探發(fā)現(xiàn)，巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，整體發(fā)育狀態(tài)不佳[1]。

2.2 分析礦井內(nèi)礦物組分

該工作面兩幫為本煤層，并且有兩層的夾矸，以泥質(zhì)砂巖的性質(zhì)為主。在實(shí)踐階段通過化學(xué)分析方式對(duì)巖體結(jié)構(gòu)礦物組分進(jìn)行確定，測定后發(fā)現(xiàn)其主要的組成成分是蒙脫石、石英、云母、高嶺石等等，此類物質(zhì)含泥量相對(duì)較高，且蒙脫石含量在30%左右，屬于膨脹軟巖的性質(zhì)。由于在巷道的施工作業(yè)煤層夾矸吸收了環(huán)境中的水分，導(dǎo)致其持續(xù)性的膨脹反應(yīng)，內(nèi)部會(huì)形成較大的擠壓作用力，造成兩幫煤體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低。

2.3 圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

對(duì)于淺埋煤層結(jié)構(gòu)來說，水平構(gòu)造力是巷道圍巖承載力的性能。本文選取的A 巷為膠帶巷，斷面寬度5.5m，斷面尺寸比較大。為了檢驗(yàn)確定圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)與巷道寬度的關(guān)系，應(yīng)用普氏壓力拱理論，結(jié)合煤礦的情況構(gòu)建壓力拱計(jì)算模型。在開挖的環(huán)節(jié)，水平構(gòu)造應(yīng)力有部分是在巷道頂?shù)装宕嬖诘?，還有部分為巷道兩幫。在水平應(yīng)力較高的情況下，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)剪切損壞的問題，兩幫的結(jié)構(gòu)受到拉伸而損壞，頂?shù)装遄冃瘟恳矔?huì)增加，出現(xiàn)巷道兩幫變形嚴(yán)重的問題從而造成片幫的問題。A 膠帶巷斷面尺寸為5.5m，比正常的巷道斷面寬度要大，且在水平構(gòu)造力影響下，斷面的寬度會(huì)增大，頂板結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生嚴(yán)重的變形問題，最終出現(xiàn)了兩幫煤體承受荷載加大的情況，在該荷載超出了煤體巖層的極限參數(shù)后，兩幫巖體會(huì)產(chǎn)生破壞變形的問題，也應(yīng)該是片幫問題。經(jīng)過上述結(jié)論分析，A膠帶巷的頂板圍巖中出現(xiàn)了節(jié)理裂隙變大的情況，存在穩(wěn)定性不足現(xiàn)象，加之巷道斷面尺寸增加，頂板巖層結(jié)構(gòu)變形量升高也會(huì)存在兩幫荷載增加的情況，同時(shí)在兩幫結(jié)構(gòu)的圍巖膨脹軟化反應(yīng)，強(qiáng)度性能降低，承載力不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而引發(fā)片幫變形的問題。在本工程中分析發(fā)現(xiàn)膠帶巷圍巖變形問題比較嚴(yán)重，所以要加強(qiáng)變形控制提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

3 巷道支護(hù)方案研究

3.1 現(xiàn)場實(shí)踐

經(jīng)過深入的分析和研究，A 膠帶巷斷面尺寸比較大，在現(xiàn)場支護(hù)應(yīng)該增大錨桿支護(hù)的密度，從而使得淺部頂板結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定、可靠的承載性高組合梁形式。同時(shí)通過增加錨固作業(yè)范圍寬度提升支護(hù)效果。此外，在支護(hù)環(huán)通過利用增加補(bǔ)強(qiáng)的錨索支護(hù)密度，提升錨索懸吊的效果；對(duì)于巷道兩幫而言，應(yīng)該增加錨桿支護(hù)密度，確定圍巖受力在合理的范圍內(nèi)，使其達(dá)到夾矸巖層穩(wěn)定性要求。

該工程優(yōu)化支護(hù)方案為：選擇應(yīng)用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式，其中頂、幫錨桿長度從1800mm 增加到2400mm，頂部錨桿布置的間隔距離從1050mm 減小為950mm，幫錨桿間隔距離從1100mm 調(diào)整為1000mm，頂板結(jié)構(gòu)設(shè)置了W 鋼帶進(jìn)行聯(lián)鎖控制，提高結(jié)構(gòu)的總體性能。表1 為A 巷前后支護(hù)方案的對(duì)比，優(yōu)化后方案可見圖2。

表1 A巷支護(hù)方案優(yōu)化對(duì)比

圖2 程優(yōu)化支護(hù)方案平面圖（單位：mm）

3.2 支護(hù)效果分析

大斷面在最初掘進(jìn)深度達(dá)到199m時(shí)，因?yàn)轫敯灏l(fā)生錨桿斷裂的問題，且兩幫片幫頂板離層參數(shù)為與兩幫變形量出現(xiàn)偏差，故而對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，具體優(yōu)化前圍巖變形監(jiān)測圖可見圖3。因?yàn)楸敬蜗锏赖淖冃螁栴}異常嚴(yán)重，在掘進(jìn)初期就進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行優(yōu)化之后掘進(jìn)的深度在860m 左右[3]優(yōu)化前監(jiān)測圖見圖3。通過支護(hù)方案的實(shí)施，截至目前在項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)施環(huán)節(jié)，巷道并未出現(xiàn)嚴(yán)重的礦壓異常問題，也沒有錨桿斷裂的問題，掘進(jìn)時(shí)單次循環(huán)尺寸為2m，兩幫并未有任何片幫問題，兩幫單日循環(huán)進(jìn)尺在12m 左右，較之以往施工方式效率提升約30%。優(yōu)化后圍巖變形監(jiān)測見圖4。

圖3 優(yōu)化前圍巖變形監(jiān)測圖

通過優(yōu)化后的圍巖變形監(jiān)測圖分析可了解到，頂板下沉量在61mm左右，兩幫變形最大位置為37mm，巷道圍巖結(jié)構(gòu)處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，總體承載性能較高，完全符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

4 煤礦大斷面巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)

4.1 優(yōu)化運(yùn)輸工藝

在本次現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)隨著施工量不斷地增大，工作人員的體能消耗比較嚴(yán)重，現(xiàn)場施工難度也在升高，開采效率不斷地降低。因此，通過對(duì)于運(yùn)輸設(shè)備做出改進(jìn)，減少人員能量損耗，具體可以采取如下的解決方式：①確保開采量以及掘進(jìn)生產(chǎn)量超過總運(yùn)輸量，工作現(xiàn)場的運(yùn)輸速度也會(huì)增大以提升掘進(jìn)祖業(yè)效率。②可以選擇應(yīng)用膠帶運(yùn)輸機(jī)，在緊急的情況下可以采取合理的應(yīng)對(duì)措施，確保運(yùn)輸?shù)男Ч唾|(zhì)量，提高開采量，實(shí)現(xiàn)無阻礙的運(yùn)輸，縮短開采周期，促進(jìn)產(chǎn)量和效益的提升。

4.2 設(shè)備優(yōu)化

經(jīng)過綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)機(jī)、錨桿鉆機(jī)與運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備都是掘進(jìn)環(huán)節(jié)必不可少的。在器材改進(jìn)的過程要堅(jiān)持降低成本、方便快捷的原則。

第一，選擇符合掘進(jìn)需要的器械。巷道掘進(jìn)前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行評(píng)估、斷面架構(gòu)以及掘進(jìn)環(huán)節(jié)的問題分析，制定合理的施工方案，并做出必要的截割處理。在現(xiàn)場施工中如果遇到任何的問題，都要立即做出調(diào)整。如果斷面的尺寸比較大巖石硬度較高，可以應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，很多企業(yè)都會(huì)優(yōu)先采用EBZ200懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，可以快速地?fù)羲閹r石結(jié)構(gòu)。如果巷道作業(yè)范圍并不大，硬度也不高，可以采用輕型掘進(jìn)施工，成本較低，現(xiàn)場操作方便，可以長期投入使用[4]。

第二，選擇最佳的錨桿鉆機(jī)。在開采環(huán)節(jié)單體錨桿鉆機(jī)受到各大企業(yè)的青睞。鉆孔結(jié)束后，組織專業(yè)技術(shù)人員安裝錨桿結(jié)構(gòu)。很多巷道頂板比較簡陋，循環(huán)掘進(jìn)速度較慢，所以掘進(jìn)效率較低。在開采的環(huán)節(jié)可以通過使用現(xiàn)代化的鑿巖車進(jìn)行施工。隨著液壓鑿巖技術(shù)的發(fā)展，使用也更加的廣泛，其效率較高，噪音比較低。在具體掘進(jìn)階段需要結(jié)合實(shí)際做好錨桿鉆機(jī)的操作控制，要求技術(shù)人員按照工藝流程作業(yè)，同時(shí)需要加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理，提高巷道支護(hù)效果，保證系統(tǒng)運(yùn)行的水平。

4.3 巷道快速掘進(jìn)管理優(yōu)化

對(duì)于巷道掘進(jìn)管理來說，突出管理效果，促進(jìn)掘進(jìn)效率的提升。

第一，及時(shí)做出工作時(shí)間的調(diào)整，采取“三八”或者“四六”的時(shí)間分配方式，在交接班的環(huán)節(jié)應(yīng)保持良好的溝通與交流，加強(qiáng)現(xiàn)場施工的時(shí)間管理，保證施工效果得到提升。

第二，結(jié)合實(shí)際，及時(shí)做好技術(shù)的改進(jìn)與完善，在巷道勘測的環(huán)節(jié)器械的準(zhǔn)確性往往會(huì)影響工作效率，所以要保證設(shè)備性能才能提高勘測數(shù)據(jù)精度。

第三，在巷道快速掘進(jìn)管理環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)人員培訓(xùn)。針對(duì)不同崗位、不同要求展開培訓(xùn)，提高人員的專業(yè)技術(shù)水平。同時(shí)還要抽出時(shí)間學(xué)習(xí)先進(jìn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)整體水平的提高，保證掘進(jìn)作業(yè)順利的完成。

第四，巷道快速掘進(jìn)管理階段，需要制定獎(jiǎng)懲制度。針對(duì)表現(xiàn)優(yōu)異的人群要獎(jiǎng)勵(lì)，表現(xiàn)不足的工作人員要處罰，以實(shí)現(xiàn)工作人員積極性的提高，保證煤礦掘進(jìn)作業(yè)順利的完成。

4.4 掘進(jìn)工藝優(yōu)化

當(dāng)前在煤礦的掘進(jìn)作業(yè)中，針對(duì)于連續(xù)加大的巷道斷面形式以及地質(zhì)條件復(fù)雜圍巖承載性能不合格的情況，技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場的狀態(tài)，對(duì)切割技術(shù)的改進(jìn)，確保巷道架構(gòu)結(jié)構(gòu)的牢固性、穩(wěn)定性、可靠性，提高總體的運(yùn)行效果。

第一，針對(duì)于巖石周邊架構(gòu)不穩(wěn)定、開采難度較高的情況，表面比較粗糙時(shí)，選擇使用圖5a的順序完成切割處理。通過該切割方式，確保巷道內(nèi)的斷面形狀不會(huì)發(fā)生損壞，煤層分布變得更加均勻，預(yù)防給周邊巖石造成嚴(yán)重的損壞和影響[5]。

第二，煤層頂板狀態(tài)較差的情況下，在縫隙較大的部位上進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，以最快的速度進(jìn)行支持與保護(hù)，并且使用圖5b的切割技術(shù)進(jìn)行處理，促進(jìn)掘進(jìn)速度的提升，減少煤層頂板暴露的時(shí)間。

第三，對(duì)于承載性能較高以及兩幫情況比較差的情況，存在片幫的問題，要按照?qǐng)D5c 的方式切割處理，縮短巖層裸露的時(shí)間，還要提升結(jié)構(gòu)的牢固性，保證周邊結(jié)構(gòu)的支撐效果合格，達(dá)到維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定性較高，工藝圖見圖5。

5 結(jié)語

在本次研究中選擇某煤礦A工作面膠帶巷展開研究，通過理論分析、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出以下結(jié)論：

（1）巷道寬度、荷載同時(shí)升高，造成剪切損壞嚴(yán)重，兩幫拉伸損壞，底板變形量增加而發(fā)生兩幫變形增大的情況，造成片幫問題的出現(xiàn)，巷道穩(wěn)定性下降，承載圍巖不斷的延伸到內(nèi)部。

（2）A 膠帶巷頂板巖層構(gòu)造發(fā)育比較明顯，兩幫夾矸含泥量升高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定降低，造成結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性不足。

（3）巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化，改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸，并進(jìn)行加強(qiáng)處理，從而達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。在支護(hù)方案明確之后，進(jìn)行必要的優(yōu)化，圍巖結(jié)構(gòu)變形量有效的控制，支護(hù)形式更加的穩(wěn)定，煤礦內(nèi)部的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、承載性能得到提高，滿足煤礦開采運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。