劉 偉
(山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)公司, 山西 交城 030500)
復(fù)合頂板巷道掘進(jìn)時(shí),受到圍巖控制難度高、頂板力學(xué)性質(zhì)差以及破碎等問題影響,巷道支護(hù)耗時(shí)較長,在一定程度上制約了巷道掘進(jìn)效率[1-3]。同時(shí)由于煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)在一定程度上制約開采技術(shù),煤炭高強(qiáng)度開采后導(dǎo)致采掘失穩(wěn)問題較為突出。實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn),對(duì)提升煤炭生產(chǎn)效率有顯著促進(jìn)意義[4-5]。山西某礦7704 運(yùn)輸巷頂板為典型的復(fù)合頂板,圍巖采用高密度錨桿索支護(hù),支護(hù)時(shí)間占整個(gè)掘進(jìn)時(shí)間的1/2 以上,導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率偏低。以7704運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、掘進(jìn)及支護(hù)工藝,對(duì)制約巷道掘進(jìn)效率的因素進(jìn)行歸納分析,并針對(duì)性提出快速掘進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。
山西某礦核定產(chǎn)能為450 萬t/a,批準(zhǔn)開采煤層包括2 號(hào)、3 號(hào)、7 號(hào)、11 號(hào)及13 號(hào)等,井田開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,煤層賦存穩(wěn)定。7704 綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度為2 650 m,受區(qū)域斷層構(gòu)造影響,采面切眼有120 m、180 m、220 m 等規(guī)格,具體采面布置如圖1 所示。7704 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度2 660 m,沿著開采的7 號(hào)煤層底板掘進(jìn),煤層厚度3.2 m,賦存較為穩(wěn)定,煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖及砂巖等為主,為承載能力及穩(wěn)定性相對(duì)較差的復(fù)合頂板。
圖1 7704 綜采工作面位置示意圖
7704 運(yùn)輸巷凈寬×凈高=4 800 mm×3 200 mm,設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)圍巖,具體支護(hù)斷面如圖2 所示。頂板用規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿(布置間排距840 mm、900 mm)、規(guī)格Φ17.8 mm×7 200 mm錨索(布置間排距為2 520 mm、2 700 mm),并配合菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。巷幫用規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm(間排距900 mm、900 mm)支護(hù),在采面幫采用高分子網(wǎng)護(hù)表,在煤柱幫使用菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。
圖2 運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面(單位:mm)
巷道所在區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件決定掘進(jìn)、支護(hù)等難易程度,當(dāng)巷道掘進(jìn)遇到斷層、煤相變化或者夾矸等情況時(shí)會(huì)進(jìn)一步影響巷道掘進(jìn)。7704 運(yùn)輸巷沿著7 號(hào)煤層底板掘進(jìn),煤層頂板為復(fù)合頂板,影響支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)耗時(shí);7 號(hào)煤層內(nèi)有1~3 層夾矸,夾矸層厚度合計(jì)為0.1~0.25 m,對(duì)掘進(jìn)有一定影響。
7704 運(yùn)輸巷采用EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)破煤巖并配合單體錨桿鉆機(jī)支護(hù),掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)交替進(jìn)行。EBZ-160 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)單個(gè)排距后采用臨時(shí)支護(hù)設(shè)備護(hù)頂,錨桿鉆機(jī)開始鉆進(jìn)錨桿(索)鉆孔并進(jìn)行永久支護(hù);支護(hù)完成后進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)及支護(hù)。巷道掘進(jìn)涉及多個(gè)環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)間相互高效配合是實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)的前提。7704 運(yùn)輸巷巷道頂板采用4 根長度2 m錨桿、2 根長度7.2 m 錨索,巷幫布置8 根長度2 m 錨桿,根據(jù)錨桿、錨索布置間排距計(jì)算得到每米巷道需要鉆進(jìn)32 m 錨桿(索)鉆孔,鉆孔深度越深則鉆進(jìn)耗時(shí)越長,同時(shí)巷道整個(gè)斷面錨桿(索)鉆孔鉆進(jìn)工程量偏高,導(dǎo)致支護(hù)耗時(shí)偏長,降低了掘進(jìn)效率。
7704 運(yùn)輸巷采用“三八制”,采用掘一錨一方式,在現(xiàn)有掘進(jìn)及支護(hù)方式下巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均為260m/月,無法滿足采面煤炭高效回采需要。
為提高巷道掘進(jìn)效率,依據(jù)7704 運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,提出采用柔性錨桿對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù),具體支護(hù)參數(shù)為:巷道頂板采用4 根規(guī)格MSGR-1860/18 型柔性錨桿(Φ17.8 mm×4 080 mm),按照1 400 mm、1 200 mm間排距布置。柔性錨桿采用2 支型號(hào)CK2360 樹脂錨固劑錨固,確保錨固力在150 kN以上,托盤為規(guī)格300 mm×300 mm×10 mm 鋼托盤,配合采用W 鋼帶、金屬網(wǎng)強(qiáng)化頂板支護(hù);頂板用柔性錨桿,外露長度控制在250 mm 以內(nèi),錨桿支護(hù)后施加250 N·m 以上扭矩。頂板用金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm,長、寬分別為3 500 mm、1 300 mm。
巷道兩幫采用4 根規(guī)格均為Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿支護(hù),按照900 mm、1 200 mm 間排距布置;巷幫錨桿錨固用1 支CK2360 樹脂錨固劑錨固,確保錨固力在50kN以上,使用的托盤為規(guī)格150mm×150 mm×10 mm 拱形鋼托盤;錨桿外露長度控制在50 mm 以內(nèi),錨桿布置完成后施加150 N·m 扭矩。采面幫、煤柱幫分別采用高分子網(wǎng)、菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。具體巷道優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面如圖3 所示。通過對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到減少圍巖支護(hù)耗時(shí)目的。
圖3 優(yōu)化后支護(hù)斷面(單位:mm)
在7704 運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)采用“大- 小”循環(huán)施工工藝,在巷道迎頭安全情況下,使得迎頭人員組織最優(yōu)、工程量最小。考慮運(yùn)輸巷采用綜掘機(jī)配合錨桿鉆機(jī)掘進(jìn),具體多工序平行作業(yè)方式為:
小循環(huán):每個(gè)小班完成多個(gè)小循環(huán)施工,小循環(huán)涉及割煤,運(yùn)輸,鋪設(shè)支護(hù)金屬網(wǎng)、頂部柔性錨桿以及巷幫錨桿等,其中割煤、支護(hù)工作順序開展。
小循環(huán)實(shí)施工藝如下:
1)割煤。綜掘機(jī)完成第一次割煤,割煤寬度、深度分別為3.2 m、1.2 m;綜掘機(jī)向后移機(jī),并將截割頭布置在迎頭煤壁位置;綜掘機(jī)進(jìn)行第二次割煤,割煤寬度、深度分別為1.6 m、1.2 m。具體綜掘機(jī)割煤工藝如圖4 所示。
圖4 綜掘機(jī)割煤工藝(單位:mm)
2)頂板及巷幫支護(hù)。綜掘機(jī)完成第二次割煤后移1.2 m,截割頭落地,開始對(duì)頂板及巷幫進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)開始時(shí)先支護(hù)頂板柔性錨桿以及兩幫靠近頂板錨桿,其余巷幫錨桿滯后頂板柔性錨桿2 排布置,使得迎頭頂部錨桿與滯后的巷幫錨桿可平行工作。
3)重復(fù)上述割煤、移機(jī)以及圍巖支護(hù)過程,完成小循環(huán)掘進(jìn)。大循環(huán):清底、掃尾、延長輸送皮帶以及風(fēng)水管路,依據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征、圍巖巖性等完成局部巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工作。
在7704 運(yùn)輸巷采用快速掘進(jìn)工藝后,巷道掘進(jìn)效率顯著提升,圍巖支護(hù)耗時(shí)有所降低,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺平均為389 m,綜合掘進(jìn)速度提升53.5%,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。
對(duì)圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后,布置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圍巖變形,具體結(jié)果如圖5 所示。從圖5 中看出,采用優(yōu)化后的圍巖支護(hù)參數(shù),隨著與掘進(jìn)迎頭距離增加(掘進(jìn)時(shí)間增加),巷道頂板、兩幫收斂量均呈現(xiàn)集聚增加- 平穩(wěn)趨勢(shì),在距離掘進(jìn)迎頭80 m 以后圍巖變形基本不再增加,其中兩幫、頂板最大變形量分別為24mm、19mm,表明采用的支護(hù)方案可實(shí)現(xiàn)圍巖有效控制。具體巷道現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況如圖6 所示。
圖5 圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線
圖6 巷道現(xiàn)場(chǎng)
根據(jù)7704 運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、掘進(jìn)及圍巖支護(hù)工藝等,對(duì)制約巷道快速掘進(jìn)因素進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)圍巖支護(hù)耗時(shí)長、地質(zhì)條件差、掘進(jìn)各工序配合有待優(yōu)化等是導(dǎo)致掘進(jìn)效率較低的主要原因。提出將柔性錨桿應(yīng)用到7704 運(yùn)輸巷支護(hù)中,替代錨桿+錨索方式對(duì)復(fù)合頂板進(jìn)行支護(hù),以便達(dá)到提高支護(hù)效率、降低支護(hù)耗時(shí)目的;對(duì)掘進(jìn)工藝優(yōu)化,小循環(huán)、大循環(huán)部分工序平行作業(yè),提升掘進(jìn)效率?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺提升至389 m,同時(shí)巷道圍巖變形穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。