楊明明

（陽煤集團(tuán)開元公司生產(chǎn)技術(shù)部技術(shù)組，山西 壽陽 045400）

煤炭是我國的基礎(chǔ)性能源，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和進(jìn)步的重要保障，隨著以采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架為代表的綜采設(shè)備的不斷投入使用，煤礦井下綜采作業(yè)效率得到了空前的提升。為了適應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備井下綜采作業(yè)需求和高效轉(zhuǎn)運(yùn)需求，對(duì)井下巷道的尺寸和支護(hù)安全性、掘進(jìn)效率均提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的支護(hù)方案中主要是利用被動(dòng)支護(hù)的方案，以錨桿支護(hù)為主、灌漿支護(hù)為輔，但在井下復(fù)雜地形條件下灌漿支護(hù)凝固效率低、漿液傳輸工作量大、經(jīng)濟(jì)性差，無法適應(yīng)高效掘進(jìn)的需求。本文提出了一種新的支護(hù)技術(shù)，其利用錨桿、錨索、錨網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，充分發(fā)揮了各種支護(hù)方式的優(yōu)勢，不僅充分地調(diào)動(dòng)了圍巖的承載能力，而且錨固范圍大、支護(hù)操作簡單，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明新的掘進(jìn)支護(hù)方案能將井下支護(hù)效率提升22.6%，將巷道圍巖變形量降低76.2%，顯著提升巷道掘進(jìn)效率和安全性。

1 巷道支護(hù)形式選擇

以井下典型復(fù)雜地形條件為例，其煤層中含有3層以上的夾矸層，每層夾矸層的厚度超過0.3 m，煤層位于裂隙發(fā)育區(qū)，而且在復(fù)雜地形條件下，由于巖層硬度差，因此在巷道頂板周期性來壓作用下極易出現(xiàn)垮塌，傳統(tǒng)的支護(hù)方案中一般采用了依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)加強(qiáng)支護(hù)的方式，利用架棚、錨桿等對(duì)出現(xiàn)松動(dòng)的地方進(jìn)行加固，工作量大、支護(hù)效率低。

錨桿支護(hù)的錨固深度一般為2 m，錨固深度較淺，在地質(zhì)條件不穩(wěn)定的情況下，無法對(duì)頂板覆巖的變形進(jìn)行有效控制，在周期性來壓作用下極易出現(xiàn)頂板垮塌。錨索錨固由于錨固深度大，因此可以有效地將淺層的圍巖形成一個(gè)穩(wěn)定的加強(qiáng)承載體，而且錨索通過錨固力可以將其控制范圍內(nèi)的巖壁鎖緊并吊在頂板上，形成一個(gè)穩(wěn)固的支點(diǎn)，不但降低了頂板的承載跨距而且也有效的降低了頂板在來壓作用下的彎矩。錨網(wǎng)則主要是對(duì)易碎裂的區(qū)域進(jìn)行防護(hù)，避免在掘進(jìn)擾動(dòng)和礦壓波動(dòng)下碎石的垮落，保證巷道內(nèi)的掘進(jìn)安全。因此結(jié)合錨網(wǎng)、錨桿、錨索的實(shí)際使用要求和作用，提出將三種支護(hù)形式進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一的聯(lián)合支護(hù)方案，將頂板的基本頂、直接頂和圍巖形成一個(gè)整體組合梁，調(diào)動(dòng)圍巖深處的承載力，將掘進(jìn)和來壓過程中的應(yīng)力向深處巖層傳遞，降低載荷沖擊對(duì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)和淺層巖層的破壞，提升巷道頂板的穩(wěn)定性[1]。

在巷道掘進(jìn)過程中的支護(hù)，根據(jù)形式的不同可分為永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)后首先由人工進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)布置，然后再進(jìn)行錨桿、錨索永久支護(hù)布置，該支護(hù)方案為串行式支護(hù)，不僅支護(hù)效率低而且支護(hù)安全性差。因此結(jié)合井下高速掘進(jìn)作業(yè)需求，提出了“二合一”式的支護(hù)方案，將臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)工序進(jìn)行合并，使錨網(wǎng)布置、鉆孔、鉆機(jī)移位等工序和掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)并行開展，不僅取消了臨時(shí)支護(hù)工序而且將部分永久支護(hù)工序進(jìn)行前移，根據(jù)實(shí)際計(jì)算，采用“二合一”支護(hù)方案能夠節(jié)約1/3的支護(hù)時(shí)間，而且有效避免了在永久支護(hù)過程中進(jìn)行煤塊清理、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了支護(hù)可靠性。

2 主巷支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以典型的大巷道掘進(jìn)面為依據(jù)，新的“二合一”支護(hù)方案中，在主巷道內(nèi)設(shè)置了5組錨桿，在巷道左側(cè)布置3組錨索，在巷道的右側(cè)布置2組錨索。根據(jù)復(fù)雜地形條件下礦壓顯現(xiàn)的最大值，錨桿選用了直徑為22 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿之間的橫向距離設(shè)置為1 000 mm，錨桿的縱向距離設(shè)置為1 000 mm，設(shè)置在下側(cè)的錨桿距離巷道底板為500 mm，設(shè)置在上側(cè)的錨桿距離巷道頂部的距離同樣為500 mm。錨桿在設(shè)置時(shí)需要根據(jù)井下的實(shí)際地質(zhì)情況和巷道底板呈10°~15°的夾角。錨索布置時(shí)采用了3-4-3的布置結(jié)構(gòu)，相互之間的距離為2 000 mm。在巷幫處每排設(shè)置3根錨桿，錨桿的縱向距離為1 000 mm，橫向距離為1 000 mm，錨索的直徑和錨桿直徑一致，便于進(jìn)行固定加強(qiáng)。錨索在設(shè)置時(shí)做出的錨索橫向排距為1 000 mm，縱向排距為2 000 mm，最上層的錨索和頂板錨桿的距離保持在500~1 000 mm，下部的錨索和錨桿的距離也保持在500~1 000 mm。巷道右側(cè)錨索的間距設(shè)置為2 200 mm，排距設(shè)置為2 000 mm。同時(shí)在錨索的尾部還需要設(shè)置相應(yīng)的鎖具[2]，錨固時(shí)的鎖緊力不能低于250 kN，從而有效確保錨、索、網(wǎng)一體支護(hù)的穩(wěn)定性，煤礦井下支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦井下巷道掘進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

3 掘進(jìn)機(jī)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在掘進(jìn)機(jī)的端部由于斷面尺寸相對(duì)較大，因此在掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)冒頂事故，因此是快速掘進(jìn)過程中巷道頂板支護(hù)的關(guān)鍵，結(jié)合巷道掘進(jìn)工藝和支護(hù)安全性需求，提出了三次成巷快速支護(hù)方案[3]。在掘進(jìn)過程中首先對(duì)巷道中間大面進(jìn)行一次成巷，然后進(jìn)行巷道大面錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，在此支護(hù)時(shí)需要沿著巷道施工走向先形成“井”字型的支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)完成后再對(duì)左側(cè)和右側(cè)分別進(jìn)行成巷，從而確保了在不影響巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量情況下優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。

對(duì)巷道掘進(jìn)端部的支護(hù)同樣采用了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)，先將錨索以“井”字型結(jié)構(gòu)布置在巷道內(nèi)，組成一個(gè)支護(hù)框架，滿足對(duì)頂板的支護(hù)穩(wěn)定性需求，然后在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的過程中將錨索用鋼帶串起來，鋼帶的間距設(shè)置為1 000 mm，排距設(shè)置為1 000 mm，鋼帶的數(shù)量根據(jù)煤礦井下巷道的實(shí)際寬度進(jìn)行靈活選取，錨網(wǎng)選擇孔徑為30 mm的高密度錨網(wǎng)[4]，雙層排列結(jié)構(gòu)，確保掘進(jìn)面掘進(jìn)作業(yè)的穩(wěn)定性，掘進(jìn)機(jī)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)端部巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

4 應(yīng)用效果分析

以某井下掘進(jìn)作業(yè)面為驗(yàn)證對(duì)象，巷道寬度為5.0 m，巷道高度為2.8 m，巷道所處的地質(zhì)條件為典型的不穩(wěn)定型地質(zhì)，且部分處在斷層處，穩(wěn)定性極差。對(duì)采用新的巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)情況下的巷道掘進(jìn)穩(wěn)定性和效率進(jìn)行對(duì)比分析，在巷道頂板和兩幫設(shè)置位移監(jiān)測裝置，對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過程中的頂板下沉量、巷道兩幫移近量和底鼓量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖3所示。

圖3 新支護(hù)方案下巷道變形情況統(tǒng)計(jì)

由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，采用新的支護(hù)技術(shù)方案后，巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量均是先快速增加，然后逐漸的趨于平穩(wěn)。頂板下沉量在第40 d時(shí)達(dá)到了31 mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120 d時(shí)穩(wěn)定在了39 mm，比優(yōu)化前降低了76.2%。巷道兩幫的移近量在第61 d時(shí)達(dá)到了138 mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120 d時(shí)穩(wěn)定在了145 mm，比優(yōu)化前降低了91.1%。巷道的底鼓量，在第40 d時(shí)達(dá)到了58 mm，在第120 d時(shí)達(dá)到了86 mm，比優(yōu)化前降低了79.1%。由此可知新的支護(hù)技術(shù)方案能夠極大的提升巷道掘進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。

通過對(duì)掘進(jìn)過程中的效率對(duì)比，新的支護(hù)方案由于采用了錨索網(wǎng)一體式支護(hù)和“二合一”支護(hù)方案，總體掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了22.6%，為提升井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

為了解決復(fù)雜地形條件下巷道支護(hù)工作量大、效率低、安全性差的難題，提出了一種新的煤礦井下掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)，其采用了錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)及“二合一”的方案，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形條件下煤礦掘進(jìn)支護(hù)安全性的提升，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）“二合一”支護(hù)方案能夠節(jié)約1/3的支護(hù)時(shí)間，而且有效避免了在永久支護(hù)過程中進(jìn)行煤塊清理、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了支護(hù)可靠性。

2）三次成巷快速支護(hù)方案能夠在不影響巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量情況下優(yōu)化掘進(jìn)端部支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)效率和支護(hù)穩(wěn)定性。

3）新的支護(hù)方案下，巷道頂板變形量比優(yōu)化前降低了76.2%，兩幫移近量比優(yōu)化前降低了91.1%，底鼓量比優(yōu)化前降低了79.1%，巷道的總體掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了22.6%，顯著提升了井下巷道的支護(hù)穩(wěn)定性，而且為提升井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。