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        復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

        2021-03-27 14:42:56楊明明
        山西冶金 2021年1期
        關(guān)鍵詞:錨桿設(shè)置效率

        楊明明

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

        煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)性能源,是國(guó)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(wú)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(shì),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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(wú)法對(duì)頂板覆巖的變形進(jìn)行有效控制,在周期性來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)壓過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中容易出現(xiàn)冒頂事故,因此是快速掘進(jìn)過(guò)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(guò)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(guò)程中將錨索用鋼帶串起來(lái),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(cè)裝置,對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)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(cè),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(cè)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(guò)程中的穩(wěn)定性。

        通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)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(guò)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)。

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