余吾煤業(yè)掘錨一體化機組煤巷快速支護技術(shù)研究與應(yīng)用

段 瑞,楊亞威,楊永康

(1.山西潞安礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046100;2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所,太原 030024)

高產(chǎn)高效綜采工作面通常采用多條巷道的布置方式,隨著煤炭產(chǎn)量的增加，煤巷掘進的速度隨之提高,為此余吾煤業(yè)引進了掘錨一體化機組,通過實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)來大幅度的提高掘進速度。國內(nèi)在掘錨機組方面出現(xiàn)了不少問題[1],應(yīng)用效果參差不齊。目前,余吾煤業(yè)煤層巷道多數(shù)采取沿底板掘進,使用掘錨一體化機組初期,成巷速度在每月200 m～300 m,成巷效率不高,沒有充分發(fā)揮掘錨一體化機組的優(yōu)勢,制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。針對余吾煤業(yè)采用掘錨一體化機組成巷效率不高的問題,以S1203膠帶順槽的快速掘進為工程背景,在不改變掘錨一體機組等施工機具的條件下,改變支護方式,優(yōu)化支護工藝,充分利用新型支護技術(shù)的優(yōu)點,實現(xiàn)余吾煤業(yè)掘錨一體化機組煤巷支護速度的大幅度提高,并保證回采巷道的安全可靠。

1 工程概況

山西潞安集團余吾煤業(yè)井田南北長16 km,東西寬10 km,總面積為161.205 km2,可采儲量6.79億t。現(xiàn)主采3#煤層,余吾煤業(yè)S1203膠帶順槽東接S1203工作面切眼(未掘),西接南翼膠帶大巷(已掘),北面、南面均為實體煤。S1203膠帶順槽沿3#煤層底板掘進,巷道最高點位于切眼交匯處,地面標高+912 m ～+930 m,井下標高+452 m～+557 m。S1203工作面膠帶順槽全長1 952 m,開口段(150 m)已施工完畢,S1203膠帶順槽從S1203膠順回風(fēng)聯(lián)巷與S1203膠帶順槽交叉點處開始掘進至S1203工作面切眼,長1 802 m,掘進斷面寬5.2 m,高3.8 m,掘進斷面面積19.76 m2。S1203膠帶順槽位置如圖1所示。

圖1 S1203工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of S1203 working face

3#煤層厚度6.25 m,煤層傾角為-3°～+7°,平均傾角為+4°;老頂為中粒砂巖,厚度13.90 m;直接頂為粉砂巖,厚度1.82 m;直接底為粉砂巖,厚度0.63 m;老底為細粒砂巖,厚度1.22 m。S1203膠帶順槽頂板巖層鉆孔柱狀圖如圖2所示。

圖2 頂板鉆孔柱狀圖Fig.2 Stratum histogram of boreholes on roof

2 S1203膠帶順槽原支護技術(shù)

S1203膠帶順槽巷道斷面呈矩形,原支護采用錨(網(wǎng))索聯(lián)合支護。

1)頂板支護。錨桿桿體為Φ22 mm、長度2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼鋼筋,錨固方式為樹脂錨固劑加長錨固,用2支K2350快速樹脂錨固藥卷錨固,采用雙鋼筋梯子梁,鋼筋梯子梁由直徑16 mm的光圓鋼筋焊制而成,“一梁七孔”,梁長5 000 mm,頂網(wǎng)采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)，尺寸為5 600 mm×960 mm,網(wǎng)格規(guī)格40 mm×40 mm,錨桿布置排距900 mm,每排7根,間距800 mm,錨桿扭矩為300 N·m。錨索材料為Φ22mm、長度8 300 mm、1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,采用3支K2350低粘度快速樹脂錨固藥卷錨固,錨固長度為1 500 mm。錨索沿巷道前進方向按“2-2”布置,間排距2 200 mm×900 mm。錨索預(yù)緊力為250 kN。

2)巷幫支護。錨桿規(guī)格與頂板相同,采用150 mm×150 mm×10 mm蝶形高強度托板,采用金屬網(wǎng)護幫,網(wǎng)片尺寸為2 000 mm×960 mm,錨桿排距900 mm,每幫5根錨桿,間距800 mm。原方案支護參數(shù)見圖3。

3-a 支護斷面

3-b 頂板仰視圖圖3 S1203膠帶順槽原支護方案Fig.3 Original support plan of S1203 belt conveyor gateway

3 掘錨一體化快速掘進臨時支護合理初撐力分析

臨時支護的護頂效果直接關(guān)系到頂板的安全,掘錨機組具有機載臨時支護系統(tǒng),可進行有效的臨時支護。余吾煤業(yè)S1203膠帶順槽所采用的12CM30掘進機有前配套臨時支撐系統(tǒng)[2-3],利用4臺鉆臂支撐住頂、底板,該臨時支撐系統(tǒng)采用4個液壓缸體支撐,在支護過程中不需要進行移動,形成可承受大壓力的面式支護系統(tǒng),性能安全可靠。

為確定S1203膠帶順槽采用掘錨機掘進時最為合理的初撐力,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[4-5],研究分析在無臨時支護和臨時撐柱阻力為0 kN、200 kN、300 kN條件下的圍巖變形。模擬巷道采用第二節(jié)所述的支護方案,不同初撐力條件下,巷道開挖支護后其圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 不同初撐力條件下圍巖應(yīng)力分布狀況Fig.4 Stress distribution of surrounding rock under different setting loads

巷道開挖后,巷道兩幫圍巖內(nèi)出現(xiàn)相應(yīng)的垂直應(yīng)力峰值區(qū),隨著臨時支護初撐力的增加,巷道兩幫淺部圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值逐漸降低,且應(yīng)力峰值的覆蓋區(qū)域逐漸減小。初撐力達到200 kN以后,初撐力繼續(xù)增大,圍巖內(nèi)垂直高應(yīng)力區(qū)范圍基本不變。

不同初撐力條件下,圍巖的位移量變化如圖5所示。

圖5 臨時支護與圍巖變形關(guān)系Fig.5 Relationship between temporary support and surrounding rock deformation

有無臨時支護對頂板位移的影響很大,同時初撐力的大小對底板底臌量影響也較大。兩幫的變形量隨著臨時支護阻力的增大僅有微小的變化,初撐力由0增大至200 kN,頂板下沉量和底板底臌量均大幅度減小,初撐力由200 kN繼續(xù)增大至300 kN,巷道圍巖的位移量變化幅度很小,因此應(yīng)將臨時支護的初撐力控制在200 kN～250 kN范圍內(nèi)。

4 掘錨一體化圍巖控制技術(shù)

4.1 錨桿間排距優(yōu)化

S1203膠帶順槽若采用掘錨一體機進行掘進,第二節(jié)所述的支護方式過于復(fù)雜,嚴重影響施工的效率。根據(jù)S1203膠帶順槽具體的地質(zhì)與生產(chǎn)技術(shù)條件,原有支護方案錨桿支護密度過大,需對其間排距進行優(yōu)化。為確定合理支護方案,需要分析錨桿間排距對S1203膠帶順槽圍巖穩(wěn)定性的影響,對比后得出更為合理的支護參數(shù)。先進行頂板錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化,設(shè)計支護方案一、方案二、方案三、方案四。頂板錨桿每排分別為3、4、5、6根,排距為900 mm,兩幫各4根錨桿,最終得到不同支護方案下圍巖的位移情況，如表1所示。

表1 不同方案下巷道圍巖變形情況Table 1 Surrounding rock deformation with different supporting plans

隨著頂板錨桿個數(shù)的增加,巷道圍巖的變形量逐漸減小,其中頂板錨桿由3根增加到4根,頂板和兩幫的位移量分別減小49.8%、28.9%,而頂板錨桿個數(shù)由4根增加到6根,頂板和兩幫的位移量僅分別減小20.2%、18.4%,由此可知,支護方案2最為合理,即頂板支護每排4根錨桿。采用同樣的方式進行錨桿排距的模擬,得到錨桿最為合理的排距為900 mm。

4.2 錨索支護參數(shù)優(yōu)化

圖6是不同錨索長度條件下巷道頂板巖層內(nèi)預(yù)應(yīng)力場的分布情況(錨索預(yù)應(yīng)力為220 kN)。

圖6 不同錨索長度條件下圍巖應(yīng)力分布Fig.6 Surrounding rock stress distribution under different anchor cable lengths

從圖6可看出以下幾點:

1)錨索長度增長后,在施加相同的預(yù)應(yīng)力條件下,錨索中部及以上部分的壓應(yīng)力并沒有隨著錨索長度的增加而升高,而是在降低,說明隨著錨索長度的增長,錨索對中部及上部圍巖的支護作用降低。

2)錨索長度增長后,在施加相同的預(yù)應(yīng)力條件下,有效應(yīng)力區(qū)減少,因此可知:①當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力一定,長錨索的主動支護作用不如短錨索;②適當(dāng)減少錨索長度并提高錨索的預(yù)應(yīng)力,可取得更好的支護效果。

根據(jù)目前余吾煤業(yè)錨索施工技術(shù)條件及地質(zhì)特征,錨索長度選擇在3.8 m～5.9 m之間比較合理,根據(jù)余吾煤業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備,設(shè)計頂板支護采用長度為5.3 m的高強錨索,為保證支護強度設(shè)計每排3根。

5 現(xiàn)場施工方案及效果分析

5.1 施工方案

綜合以上研究成果,最終得到S1203膠帶順槽的支護詳情，如圖7所示,頂板錨桿由7根減少為4根,間排距調(diào)整為1 400 mm×900 mm,錨桿規(guī)格和錨固方式與原有支護方案相同,所有錨桿垂直頂板安裝。錨索材料采用Φ22mm、長度5 300 mm的1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,用1支MSCK2335和2支MSZ2360樹脂錨固劑,錨固長度1 970 mm。每排錨桿打設(shè)3根頂錨索,錨索距巷幫1 200 mm,間距1 400 mm,排距900 mm,垂直頂板巖層。兩幫每排4根錨桿,間排距為1 000 mm×900 mm,其余參數(shù)不變。錨桿預(yù)緊扭矩由300 N·m提高到400 N·m,錨索預(yù)緊力由250 kN提高到300 kN,采用掘錨一體化機組提供200 kN～300 kN的臨時支護阻力,施工中將頂板中間錨索和兩幫下部2根錨桿滯后補打。

7-a 支護斷面

7-b 右?guī)椭ёo詳情

7-c 頂板支護參數(shù)圖7 S1203膠帶順槽支護詳情Fig.7 Supporting situation in S1203 belt conveyor gateway

5.2 應(yīng)用效果

通過礦壓綜合觀測得到巷道表面位移觀測曲線，如圖8所示。

8-a 1#測站

8-b 2#測站圖8 巷道表面圍巖位移觀測曲線Fig.8 Observation curves of surface surrounding rock displacement

從觀測曲線可以看出,巷道變形速度與時間呈負指數(shù)分布,巷道頂板的最大下沉量為26 mm,工作面?zhèn)?左幫)最大移近量18 mm,外側(cè)幫(右?guī)?最大移近量為13 mm,沒有底臌,巷道變形得到有效的控制,支護效果良好。

6 結(jié)論

為解決余吾煤業(yè)掘錨一體化機組施工效率低的難題,結(jié)合井下掘錨一體化機組的使用問題,針對余吾煤業(yè)回采巷道原支護方案錨桿密度大、錨索長度過長和錨桿角度過大等問題,對巷道的支護方案和施工方案進行優(yōu)化,優(yōu)化后施工方案在S1203膠帶順槽應(yīng)用效果良好,巷道掘進速度有了明顯提高,從7.2 m/d可提高到12.6 m/d,最明顯的一個月從140 m提高到300 m,掘進一體化機組的快速支護工藝得到很大的完善,取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟效果。