采煤掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)研究

劉 峰

（冀中能源股份有限公司內(nèi)蒙古分公司嘉信德煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

自工業(yè)革命以來，煤炭就已成為工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾茉?。煤炭通過燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)釋放熱能，給工業(yè)生產(chǎn)和很多領(lǐng)域提供必要的能量[1]。雖然受儲量有限的限制，人類一直在尋找煤炭的替代品。但短時(shí)間內(nèi)煤炭仍然是最重要的能源材料。為了獲得足夠支撐全社會正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能量，世界各大煤礦每天都在進(jìn)行煤炭的開采[2]。對大多數(shù)煤礦而言，煤炭都深埋于地下，必須通過開掘挖掘井并在井下完成采煤作業(yè)。采煤作業(yè)的過程是在礦井下一邊掘進(jìn)一邊挖掘，這就要求煤礦井下必須具有足夠的安全系數(shù)。為了避免礦井塌方，確保井下作業(yè)安全，掘進(jìn)過程中都要配置支護(hù)裝置[3]。有效的支護(hù)技術(shù)不僅可以確保井下作業(yè)人員的安全，還可以加快煤炭開采的效率。該文以此為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行煤礦井下采煤掘進(jìn)過程中的支護(hù)技術(shù)研究，以期更好地服務(wù)于煤礦資源開采。

1 煤礦井下采煤掘進(jìn)的支護(hù)方案選擇

煤礦井下的采煤掘進(jìn)，必須提供有效的支護(hù)方案，才能增強(qiáng)掘進(jìn)巷道的牢固性，確保作業(yè)人員的人身安全和掘進(jìn)作業(yè)的順利完成。為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下的有效支護(hù)，一般可以采取動態(tài)支護(hù)和固定支護(hù)2種方案。

煤礦井下掘進(jìn)過程的動態(tài)支護(hù)方案的示意圖如圖1所示。圖1中的掘進(jìn)機(jī)前方帶有掘進(jìn)裝置，通過鉆挖擊打等方式不斷挖掘煤層，從而拓展出前方掘進(jìn)空間。掘進(jìn)機(jī)配置了機(jī)載支護(hù)結(jié)構(gòu)，并有支撐桿撐起，遮蔽掘進(jìn)機(jī)的上方，形成支護(hù)。可以看出，煤礦井下的動態(tài)支護(hù)方案具有較大的靈活性，因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)械是可以移動的，所以在其上支護(hù)的防護(hù)系統(tǒng)可以隨掘進(jìn)機(jī)械的移動而移動。該動態(tài)支護(hù)方案可以隨著掘進(jìn)作業(yè)的位置變化而靈活地調(diào)整自己的位置，在需要防護(hù)的地方組建支護(hù)結(jié)構(gòu)。但受掘進(jìn)機(jī)械的體積、高度、載質(zhì)量等條件因素限制，動態(tài)支護(hù)方案的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支護(hù)強(qiáng)度無法達(dá)到較高水平，如果要使動態(tài)支護(hù)方案有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，就需要更大的載質(zhì)量，可能會超出掘進(jìn)機(jī)械的承載能力，從而損壞掘進(jìn)機(jī)械的本體。

圖1 煤礦井下的動態(tài)支護(hù)方案

如圖1所示，動態(tài)支護(hù)是指在采煤掘進(jìn)的過程中，一邊搭建支護(hù)結(jié)構(gòu)，一邊采煤掘進(jìn)作業(yè)。在該支護(hù)方案下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的搭建是通過掘進(jìn)機(jī)的車載裝置完成的。而隨著掘進(jìn)距離的不斷延伸，支護(hù)結(jié)構(gòu)也不斷隨掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)而整體前移。同時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)掘進(jìn)過程中巷道形狀的改變而做出適應(yīng)性調(diào)整。可見，動態(tài)支護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)結(jié)構(gòu)形成速度快，缺點(diǎn)是支護(hù)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度較差，遇到嚴(yán)重的塌方事故，安全系數(shù)會大幅度降低。

另一種方案是穩(wěn)定支護(hù)，即在已經(jīng)挖掘的巷道空間內(nèi)，根據(jù)巷道空間的形狀嵌入支撐桿、覆蓋支撐網(wǎng)，并通過噴涂特殊材料強(qiáng)化巷道壁表面，從而形成穩(wěn)定的支護(hù)方案。該方式下的支護(hù)結(jié)構(gòu)的用料與巷道截面密切相關(guān)。常見的巷道截面的形式如圖2所示。

圖2 煤礦井下巷道的形式

從圖2可以看出，煤礦井下的巷道有不同的形狀，但大致可以分為3種，拱形的巷道形狀、梯形的巷道形狀和矩形的巷道形狀。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是要緊貼巷道壁面設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，巷道的結(jié)構(gòu)形狀決定了支護(hù)結(jié)構(gòu)的形狀。

以矩形的巷道形狀為例，該文的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 矩形的巷道形狀支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖3可以看出，該文支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的組成單元一共分為3類，第一類如圖3中帶有網(wǎng)格的矩形條所示，這是網(wǎng)狀的金屬防護(hù)網(wǎng)，可以起到保護(hù)頂部礦層的作用。一旦頂部礦層剝離脫落，就可以被金屬防護(hù)網(wǎng)兜住，避免掉落傷人。但僅使用金屬防護(hù)網(wǎng)，支護(hù)強(qiáng)度不夠，需要配置第二類支護(hù)單元，如圖3中的黑色柱狀條所示，即支護(hù)錨桿。支護(hù)錨桿深入頂部煤層，底部接觸地面，支撐作用更強(qiáng)大。金屬保護(hù)網(wǎng)下方薄薄的一層是第三類支護(hù)單元，即涂覆料，起到補(bǔ)充保護(hù)的作用。

2 煤礦井下支護(hù)方案的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

在整個(gè)支護(hù)體系中，3類支護(hù)單元都會發(fā)揮各自的作用。其中起到最強(qiáng)支護(hù)作用的是支護(hù)錨桿，它不僅具有對巷道整體的支護(hù)效果，還對金屬防護(hù)網(wǎng)和涂覆層起到二次支護(hù)的作用。因此應(yīng)該注重對支護(hù)錨桿進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

2.1 第一模型法參數(shù)計(jì)算

支護(hù)錨桿關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算的常見方法有2種，分別稱為第一模型法和第二模型法。第一模型下的支護(hù)錨桿參數(shù)計(jì)算中最關(guān)鍵的就是錨桿的長度。錨桿長度的合適值是要能深入頂部煤層，才能起到牢固支護(hù)的作用。但又不能深入太深，否則可能會降低頂部煤層的強(qiáng)度，其計(jì)算方法如公式（1）所示。

式中：L為第一種模型下計(jì)算出的支護(hù)錨桿的長度；N為第一種模型下頂部煤層的強(qiáng)度系數(shù)；W為第一種模型下采煤掘進(jìn)作業(yè)的寬度，根據(jù)第一種模型的計(jì)算原理，其合適值為1.49。

根據(jù)上述計(jì)算模型，可以得出第一種模型下的支護(hù)錨桿的長度為2.33m。

公式（1）除了可以計(jì)算矩形巷道的支護(hù)錨桿長度，還可以測量拱形巷道的支護(hù)錨桿長度。拱形巷道中支護(hù)錨桿的邊界位置和中心位置的高度存在差異，因此支護(hù)錨桿的合理長度也不相同。邊界位置的支護(hù)錨桿長度計(jì)算仍然采用公式（1），只是強(qiáng)度系數(shù)N的取值會發(fā)生變化，從而可以將邊界支護(hù)錨桿長度計(jì)算到合理數(shù)值。

為了確定不同巷道寬度下，同一界面內(nèi)排布多少根支護(hù)錨桿為合理，需要計(jì)算相鄰錨桿間的間距。先假定多根錨桿均勻排列，則相鄰支護(hù)錨桿間的間距如公式（2）所示。

式中：M為第一種模型下相鄰支護(hù)錨桿間的間距；L為第一種模型下計(jì)算出的支護(hù)錨桿的長度。

按照該方法來計(jì)算，如果支護(hù)錨桿的長度為2m，那么相鄰支護(hù)錨桿間的間距不應(yīng)超過1m。

2.2 第二模型法參數(shù)計(jì)算

和第一種模型的計(jì)算方法相比，第二種模型的計(jì)算過程有所不同，其支護(hù)錨桿長度的計(jì)算如公式（3）所示。

式中：L為第二種模型下的支護(hù)錨桿的長度；K為第二種模型下的安全系數(shù)；H為第二種模型下支護(hù)錨桿嵌入點(diǎn)附近的頂部煤層厚度；J為第二種模型下支護(hù)錨桿的嵌入深度；T為第二種模型下涂覆層到地面間的支護(hù)錨桿長度。

按照第二種模型法計(jì)算，支護(hù)錨桿的長度計(jì)算結(jié)果為2.43m，比第一種模型法計(jì)算結(jié)果多0.1m。

第二種模型下，相鄰支護(hù)錨桿間的間距如公式（4）所示。

式中：M為第二種模型下相鄰支護(hù)錨桿間的間距；Q為第二種模型下支護(hù)錨桿的支撐力；r為第二種模型下煤層的容重系數(shù)。

3 煤礦井下支護(hù)方案的測試試驗(yàn)

上述研究工作對采煤掘進(jìn)過程中的動態(tài)支護(hù)方案和固定支護(hù)方案進(jìn)行了對比和分析，該文更傾向于選擇穩(wěn)定支護(hù)方案。原因是該支護(hù)方案的支護(hù)穩(wěn)定性更好，更有利于頂部煤層的穩(wěn)定和巷道內(nèi)掘進(jìn)作業(yè)工人的人身安全。在該基礎(chǔ)上，以固定支護(hù)方案為重點(diǎn)研究對象，分別按照第一模型法和第二模型法計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，包括支護(hù)錨桿的長度、支護(hù)錨桿間的間距等。下面將針對上述研究工作進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以考察該文支護(hù)方案設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。

第一組試驗(yàn)考察該文支護(hù)方案下頂部煤層強(qiáng)度的提升程度變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 支護(hù)方案下的頂部煤層強(qiáng)度提升程度變化

根據(jù)圖4中2組曲線的變化情況可知，當(dāng)采用動態(tài)支護(hù)的方案時(shí)，7個(gè)測試點(diǎn)的頂部煤層強(qiáng)度提升40%～50%，頂部煤層強(qiáng)度得到了明顯改善。當(dāng)采用固定支護(hù)的方案時(shí)，7個(gè)測試點(diǎn)的頂部煤層強(qiáng)度提升都超過了55%，最大的突破了70%。通過二者的比較可以充分證明，固定支護(hù)方案可以取得更好的效果，確保采煤掘進(jìn)作業(yè)的順利進(jìn)行。

進(jìn)一步比較執(zhí)行2種支護(hù)方案的掘進(jìn)效率，如圖5所示。

圖5 支護(hù)方案下的掘進(jìn)效率提升程度

從圖5中2類矩形的對比可以看出，采用動態(tài)支護(hù)方案時(shí)，掘進(jìn)作業(yè)的效率提升程度在70%左右的水平波動。采用固定支護(hù)方案時(shí)，掘進(jìn)作業(yè)效率的提升程度在85%左右的水平波動。表明采用固定支護(hù)方案，井下采煤掘進(jìn)作業(yè)的效率提升更明顯。

4 結(jié)論

煤礦井下作業(yè)必須注重安全問題，尤其要避免頂壁和側(cè)壁煤層的脫落和崩塌。為了有效解決該問題，必須在掘進(jìn)過程中進(jìn)行支護(hù)處理。該文對采煤掘進(jìn)過程中的動態(tài)支護(hù)方案和固定支護(hù)方案進(jìn)行了對比和分析，以固定支護(hù)方案為重點(diǎn)研究對象，分別根據(jù)第一模型法和第二模型法進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，包括支護(hù)錨桿的長度、支護(hù)錨桿間的間距等。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定支護(hù)方案的支護(hù)效果更好，煤層強(qiáng)度和掘進(jìn)效率都得到了更明顯的提升。