大循環進尺快速掘進與圍巖控制技術研究

摘 要：合理掘進循環進尺有利于安全快速施工。為實現三河尖礦快速掘進，解決采掘接替緊張難題，以三河尖礦7126工作面軌道巷為研究對象，進行大循環進尺快速掘進關鍵技術的研究，根據頂板應力與巖體強度判定巷道頂板穩定性，確定了合理的掘進循環進尺。在此基礎上，提出了“小循環臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則，現場效果顯著，使月進尺達到400m/月以上，保證了巷道掘進的速度和安全性。

關鍵詞：大循環進尺；快速掘進；高強預緊；錨桿支護；

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-08-00-02

由于中國大部分煤炭賦存條件較為復雜，煤巷綜掘普遍采用綜掘機配套單體錨桿鉆機和連續采煤機與錨桿鉆車配套工藝。循環進尺小，可以保證安全，但掘進與支護作業交替頻繁，影響生產效率；掘進循環進尺大，可以減少不必要的工作交替次數，有助于組織生產，提高工效，但掘進循環進尺大存在很大的安全隱患，萬一發生頂板坍塌將直接影響施工進度及危及礦工生命。因此，在安全、生產兼顧的情況下，確定一個合理掘進循環進尺就顯得尤其重要。

三河尖礦巷道掘進循環進尺比較小（循環進尺為1.8m），造成采掘接替緊張，每月進尺已不能滿足礦井正常接替的需要，掘進工序比較復雜，掘進機的有效工作時間短，掘進速度慢。增加循環進尺和優化掘進工藝可以有效解決這一問題，但是增大循環進尺，存在空頂長度大，巷道圍巖控制困難等問題，需要確定合理的循環進尺，采用可靠的圍巖控制技術，選擇安全、經濟、高效的施工工藝和勞動組織方式，在保障安全的前提下實現快速掘進。

一、工程概況

三河尖礦7126工作面軌道巷沿頂掘進，巷道斷面為梯形斷面。軌道巷標高-800m，底寬為3.8m，中高為2.7m。直接頂為0～2.54m的泥巖，致密性脆易碎。基本頂為35m的中細砂巖，成分以石英、長石為主，層理不明顯，含有黃鐵礦結核。直接底為1.86m的泥巖，致密性脆，含植物化石碎片。基本底為7.84m的砂質泥巖，深灰色，致密性脆。煤層平均厚度為2.5m，條帶結構，內生節理發育，為光亮型煤。

二、大循環進尺的合理確定

7126工作面軌道巷直接頂為0～2.54m的泥巖，基本頂厚度為35m中細砂巖，基本頂厚度、強度均較大，其承載和抗變形能力均較大，能夠保持自身穩定且下沉量很小。因此，對泥巖直接頂的穩定性進行分析時，僅需考慮其自身載荷作用。

由相關圖表可以看出，在沿直接頂厚度方向，直接頂下部分巖層受拉，上部分巖層受壓，往直接頂厚度中部方向，等值線逐漸稀疏，且拉應力沿著直接頂厚度方向越來越小，壓應力沿著直接頂厚度方向越來越大。

10m循環進尺條件下，泥巖的最大拉應力為1.004MPa，超過泥巖的抗拉強度0.9MPa，頂板可能發生拉破壞而導致頂板冒落；4m、6m、8m大循環進尺條件下，最大拉應力值均小于泥巖抗拉強度0.9MPa，但8m循環進尺條件下的最大拉應力為0.692MPa，但當巷道局部區域泥巖厚度大于2.5m時，拉應力將會超過0.9MPa，安全系數較低，且由于循環進尺增大，一個班也難以完成一個循環，交接班及其它輔助措施占用時間比較長，而4m循環進尺時，掘進與支護作業交替頻繁，影響生產效率。因此，綜合考慮礦上的生產技術條件，確定三河尖礦7126工作面軌道巷掘進循環進尺為6m。

三、大循環進尺巷道圍巖控制技術

增大掘進循環進尺，巷道空頂距離增大，頂板易發生離層，煤層節理發育，高幫易片幫，大幅度增加了巷道支護難度。通過對大循環進尺條件下圍巖控制的問題的分析研究，提出了“小循環臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則。

（1）小循環臨時支護。統籌考慮臨時支護和永久支護，將二者作為一個體系進行考慮。巷道掘出后，圍巖原巖應力狀態被打破，破碎區與塑性區迅即向深部發展，圍巖變形速度較快。為了保證頂板安全和施工人員安全，應采及時進行小循環臨時支護，在臨時支護掩護下進行永久支護。

（2）高強預緊支護。為了防止頂板過早離層以及煤幫破碎區的發展，及時施加高強預緊力錨桿，實現錨桿主動承載，，提高圍巖峰值強度和殘余強度，抑制圍巖大變形，從而達到防止頂板冒頂、高幫片幫的目的。

（3）高幫上部及時支護。頂板錨桿和高幫肩角錨桿同時打設，滯后打設高幫下部錨桿和低幫錨桿，實現頂板和肩角圍巖穩定。

考慮掘進進尺與錨桿支護工藝，經過多種支護方案比較，最終確定巷道支護參數為：

（1）巷道支護參數

頂板錨桿間排距900 mm×1000mm，每排5根錨桿，兩幫采用錨桿間排距800 mm×1000mm，低幫每排三個錨桿，高幫每排4根錨桿，錨桿均為直徑20mm、長度2000mm的左旋螺紋鋼錨桿，采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷規格：CK2350一支。錨桿配套使用半球形墊圈、樹脂減摩墊圈、金屬墊圈，快速安裝的高強螺帽。頂板、兩幫均鋪設金屬網和鋼筋梯子梁，鋼筋梯子梁采用直徑14mm的圓鋼焊接。

（2）小循環臨時支護參數

為了保障安全，打設單體支柱按小循環進行，1m一個小循環，則臨時支護范圍小，施工循環次數多，工序復雜，而3m或以上一個小循環，臨時支護范圍大，不利于頂板穩定。因此，從安全角度和施工循環次數考慮，確定臨時支護小循環長度為2m，即每個小循環打設兩排單體支柱

7126工作面軌道巷掘進期間巷道表面位移曲線見圖2所示。巷道表面位移隨掘進頭的遠離而遞增，變形速度逐漸減小。頂底板相對移近量和兩幫相對移近量變化趨勢相同，距掘進頭100m以后，巷道圍巖變形速度趨于穩定，變形量不再明顯增加，頂底板相對移近量為133mm，兩幫相對移近量為93mm，巷道圍巖穩定性較好。

7126工作面軌道巷原掘進進尺為195m，實施大循環進尺掘進工藝后進尺達到409.9m，掘進速度為原掘進工藝速度的2.1倍，大大提高了煤巷綜掘速度。實施大循環進尺掘進工藝，提高工作面煤巷綜掘速度效果顯著，有效緩解了三河尖礦采掘接替緊張的局面。

四、主要結論

（1）在保證巷道直接頂穩定的前提下，增大循環進尺，可減少不必要的工作交替次數、并在較大作業空間內實現平行作業，是實現煤巷快速掘進的重要途徑。根據頂板應力與巖體強度判定巷道頂板穩定性，確定了7126工作面軌道巷合理的掘進循環進尺為6m，安全系數較高，一個班可以完成一個循環作業。

（2）針對大循環進尺巷道空頂距離增大，頂板易發生離層、煤層節理發育、高幫易片幫等特點，提出了“小循環臨時支護+高強預緊支護+高幫上部及時支護”支護原則，并設計了合理的支護參數，保證了巷道圍巖穩定。

（3）現場實踐表明，大循環進尺掘進速度為原掘進工藝的2.1倍，大大提高了7126工作面煤巷綜掘速度。掘進期間，巷道頂底板相對移近量為133mm，兩幫相對移近量為93mm，巷道圍巖穩定性較好，支護效果顯著，實現了安全快速掘進，緩解了礦井接續緊張的局面，取得了顯著的經濟社會效益。

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