復雜地質條件下巷下山掘進施工技術探索與實踐

李文皓,張 文

(中煤平朔集團有限責任公司 井工三礦,山西 朔州 036006)

目前國內外巖巷施工廣泛采用光爆錨噴法和大功率掘進機施工法,光爆錨噴法施工水平及技術經濟指標受多種因素制約,隨著科技進步和掘進設備的升級改造,大功率掘進機施工法逐漸增多,安全狀況和掘進效率得到了大大提升。但綜合機械化掘進在巖巷下山施工過程中,受斷層、積水和破碎帶等地質條件影響,掘進效率受到很大制約。本文通過現場實踐經驗,對如何解決巖巷下山掘進過程中的困難提出了具體解決辦法,為綜合機械化巖巷下山掘進提供參考[1-2]。

1 工程概況

39202輔運順槽設計長度2 317 m,主要用途為綜采工作面進風和輔助運輸。巷道掘進采用EBZ-260型掘進機進行截割,煤矸通過掘進機鏟板耙載到掘進機一運刮板轉載至二運皮帶、工作面SSJ-1000皮帶運輸機上,通過主運煤流系統將煤矸運出。巷道支護采用MQT-130錨桿機、MQS-60/2.1風煤鉆為鉆具,進行頂錨桿、錨索、幫錨桿支護。

巷道斷面為矩形,寬×高=5.2 m×3.5 m,巷道采用“錨、網、索、鋼帶”聯合支護。平面支護示意圖見圖1。

圖1 平面支護示意圖Fig.1 Supporting schematic diagram

當39202輔運順槽掘進至750 m時,與Fs26正斷層相遇,斷層落差達17 m～23 m。此處巷道煤層為東坡向斜的南翼的開端,煤層傾角6°～8°。9#煤頂板為砂質泥巖、細粗粒砂巖,巖石硬度大,但粘結性差,遇水容易破碎,砂巖間含有多層黑色夾矸,局部沖蝕角礫巖,在掘進過程中經常出現片幫漏頂現象。頂、底部砂巖含水層儲水體積大,含水空間豐富,隔水層隔水性能弱,掘進期間頂板局部淋水,底板和兩幫局部出現滲水,長探孔有少量出水。掘進期間正常涌水量35 m3/h,最大涌水量150 m3/h。根據采掘現狀和實際地質條件,并考慮輔運順槽后期工作面安裝設備和無軌膠輪車運輸等因素,確定過斷層方案。設計巷道坡度為-12°下山掘進,穿過9#煤層頂板進入斷層下降盤的9#煤層。過斷層方案示意圖見圖2。

圖2 過斷層方案示意圖Fig.2 Passing fault diagram

2 巷道施工面臨的困難

2.1 頂板情況

掘進至920 m～980 m時,頂板為以白砂巖為主的復合型頂板,頂板夾矸層較多,中間夾雜不規則煤矸層和泥巖層,局部巖層中沖蝕角礫巖,特別是Fs26斷層附近,大斷層伴生多條小斷層,頂板極不穩定,頂板3 m～4 m處存在一層1 m厚的泥巖層,遇水變軟,在施工錨索孔時,泥巖層段鉆孔變大,樹脂藥卷很難到達錨索孔頂部,支護錨索困難,影響巷道施工進度。

2.2 施工影響因素

巷道掘進下山掘進初期,巷道頂板淋水變大,掘進時生產用水、防塵水、底板滲水及長探孔出水等全部流入迎頭。巖石巷道掘進比煤巷掘進截割時間長,大量積水與截割下的巖粉混合形成泥糊狀,大部分泥巖漿在機組爬爪、一運、二運和皮帶等運輸系統上打滑,部分泥巖漿灑至皮帶機尾處,導致兩幫浮煤大量堆積,人工清理量大。大量泥糊導致迎頭支護困難,錨桿機陷入泥中,移動錨桿機耗費大量時間和人力。

2.3 巷道排水問題

下山掘進初期,迎頭排水采用5.5 kW水泵排至最近的臨時水倉,電泵吸水口高且不易移動,迎頭積水與截割下的巖粉混合成泥巖漿,水泵容易被泥漿堵住,不易清理,給迎頭排水造成很大困難。臨時水倉安裝37 kW水泵,采用階梯式排水,排水點分散,排水不及時易造成水窩水滿溢出至迎頭。迎頭積水泥沙含量大,容易造成管路逆止閥堵塞、水泵損壞等問題。

2.4 下山施工問題

下山巷道中,受重力分力的影響設備產生下滑趨勢。32902輔運順槽下山掘進工程中,皮帶架向下歪斜,皮帶在運輸過程中經常出現皮帶架傾倒現象。供水管路在供水水壓和重力分力的雙重壓力作用下,管接頭處多次爆開,供水直接流入工作面迎頭,使迎頭大量積水。皮帶運輸和供水管路問題,影響巷道正常生產。

3 采取的關鍵技術措施

3.1 復合頂板支護方案

在巷道掘進至斷層時,巖石頂板中夾雜不規則煤線層和泥巖層,巷道頂板破碎,頂板出現離層、漏頂現象,巷道壓力變大,部分錨桿錨索托板變形。局部地段施工錨索鉆孔時,中部泥巖層鉆孔被刷大,藥卷很難順利通泥巖層送入頂端,支護錨索影響時間長,嚴重影響施工進度。漏頂及托盤變形現場圖片見圖3。

圖3 漏頂及托盤變形現場圖片Fig.3 On-site picture of roof leakage and pallet deformation

針對上述情況,對過斷層期間復合頂板支護方案進行調整。縮小錨桿排距為800 mm,短掘短支,減少頂板冒漏。加密錨索支護由五花布置變為雙排布置,間排距改為2 000 mm×1 600 mm,加掛W鋼帶加強支護,每根W鋼帶布置2根錨索,增加頂板支護面積,提高復合頂板的整體性,必要時打超前錨桿控制頂板。

針對錨索樹脂藥卷滯留泥巖層,不能送入鉆孔頂端問題,研制了連接桿制作的樹脂藥卷推送器,使藥卷保持與鉆孔在一條直線,鉆孔施工后,能夠快速將藥卷推送至錨索孔頂端。經測試能夠達到規定錨固力,提高了錨索支護速度,減少頂板空頂時間。樹脂藥卷推送器示意圖見圖4,在使用時應注意：1)推送頭能夠卡住樹脂藥卷，送入頂端后，用力推將藥卷固定在孔頂端。2)藥卷推送頭使藥卷保持豎直，能夠順利通過鉆孔刷大部分，不歪斜而導致滯留。

圖4 樹脂藥卷推送器示意圖Fig.4 Schematic diagram of resin cartridge pusher

通過優化支護方案,很好的控制了頂板離層、漏頂現象,提高巷道支護強度和支護速度,安全快速通過了斷層區。

3.2 優化施工工藝

巷道進入下山全巖巷初期,割煤后,巷道淋水及生產用水全部聚集迎頭,形成泥巖漿,人員無法進入支護,只能利用掘進機截割部作為平臺進行支護,錨桿機氣腿陷入泥漿拔不出來,錨桿機經常被損壞,支護影響時間長,加之巖石較硬截割時間長,月進尺只有30 m左右。

針對迎頭淤泥問題,采取了改變截割工藝,先截割巷道中上部,留1 m底渣進行蹬渣支護,后退機組,使鏟板下方為最低點集中排水,避免人員和錨桿機氣腿陷入泥巖漿中,改善支護條件。合理安排工序,在割煤的同時,準備好支護機具和支護材料,割煤結束后迅速執行以下工序:退機組,敲幫問頂、臨時支護,上網片,永久支護。提高支護速度,減少因迎頭積水與巖渣接觸時間長而形成的泥漿。下一循環在掘進前先進行掃底,使蹬渣作業時留下的底渣與迎頭少量積水混合,將水泥漿帶出。同時加固機組一運、二運轉載點擋煤板,制作全包圍擋煤皮,皮帶機尾增加擋煤皮和防跑偏托輥,減少運輸系統撒貨,提高設備運輸能力,提高掘進速度[3-6]。

3.3 風電聯合排水方案

下山掘進治水是關鍵,只有控制迎頭積水,減少泥巖漿,提高設備運輸能力,才能改善掘進頭支護作業條件,提高割煤和支護速度,提高掘進效率。

39202輔運順槽下山掘進初期采用電泵排水,電泵吸水口高且不易移動,排水不凈不及時。因排水不暢,工作面迎頭積水、淤泥嚴重制約施工進度。后期通過使用風電聯合接力排水,有效控制了迎頭積水問題,減少了泥巖漿對生產的影響。具體方案如下:

1)每掘進50 m～70 m施工1個臨時水倉,安裝2臺37 kW水泵(1用1備),排水至順槽主排水管路。

2)臨時水倉水泵安裝自動排水裝置,防止人員排水不及時造成滿倉溢流和水泵空載運行燒泵的問題。

3)在距工作面迎頭10 m～20 m處安裝1臺風泵,隨工作面前移,吸水口放置在迎頭積水處,排水口延至臨時水倉。風泵吸水部分由直徑51 mm的高壓膠管和過濾罩組成,方便移動。

4)掘進時,在機組后設置臨時水壩,攔截巷道流水,將風泵吸水口放置在水壩內,及時排出巷道內流入迎頭的流水,減少迎頭積水。

3.4 防下滑技術措施

在大坡度下山掘進期間,平均每月因運輸系統皮帶倒架影響掘進3次,因供水管路接頭脫開造成迎頭積水2次,對巷道掘進產生嚴重影響。

針對下山掘進時皮帶架和供排水管路受下滑力影響生產的問題,對皮帶和管路采取了防下滑措施:

1)每隔50 m在皮帶H架兩側增加一組地錨,使用花籃螺栓配合鋼絲繩與皮帶架連接牢固。

2)對供排水管路的吊架進行加固,每隔30 m增加防下滑鋼絲繩,使用花籃螺栓固定在幫錨桿上。

3) 在管路接頭處的兩根水管上安裝防脫卡,防止管路受供水壓力和下滑力影響管頭脫開。

通過增加防下滑設施有效控制了皮帶倒架和水管脫開問題,提高設備的穩定性,杜絕了皮帶倒架和水管脫開對生產的影響。

4 結束語

通過39202輔運順槽全巖下山掘進過程中遇到的困難,對現場施工技術不斷探索與研究,抓住了斷層區復合頂板、迎頭積水、支護速度等關鍵問題,采取了復合頂板支護方案、優化施工工藝、聯合排水方案和防下滑等措施,提高巷道施工進度、減輕人員勞動強度,創造了復雜條件下全巖巷道下山掘進月進77.6 m的成績,月進尺提高一倍以上,創造了很好的經濟效益,為同等條件下的巷道施工提供了借鑒。