深部復(fù)雜地質(zhì)條件下半煤巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)探析

李榮先

（呼倫貝爾蒙西煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，難免會(huì)遇到一些比較復(fù)雜的地質(zhì)條件，在這種條件下，為了確保開(kāi)采工作的順利進(jìn)行，同時(shí)，保障施工的安全，需要采取有效的掘進(jìn)速度。巷道快速掘進(jìn)技術(shù)是一種比較此常用的技術(shù)，該技術(shù)具有系統(tǒng)性的特點(diǎn)，工作效率較高、工藝技術(shù)比較復(fù)雜。隨著各類新的開(kāi)采設(shè)備的投入，采掘不平衡的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。相較于淺部巷道支護(hù)施工，深部采用的“錨-網(wǎng)-索”支護(hù)方式存在一定的問(wèn)題，包括圍巖變形、工序繁多等。所以，改進(jìn)支護(hù)技術(shù)，提升掘進(jìn)速率，使采掘比平衡。

1 工程概述

本文所述礦井為葫蘆素礦井，該礦井的21204工作面使2-1煤層二盤(pán)區(qū)首要開(kāi)采的工作面。煤層埋藏的深度較大，在619～656m，傾斜角度為0°～3°。該工作面設(shè)計(jì)了長(zhǎng)為5768.1m的回風(fēng)巷，沿著么層頂板向底層掘進(jìn)，掘進(jìn)的方位角度為180°。在掘進(jìn)的區(qū)域和段落之中，煤層比較穩(wěn)定，夾矸有1～3層，以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層厚度不超過(guò)2.2m，不小于1.87m。在回風(fēng)巷南部600m的位置，有一個(gè)X1向斜橫在整個(gè)工作面中很難過(guò)想貫穿，向斜走向?yàn)槲髂戏较颍瑓^(qū)內(nèi)約有1800m延展，在回風(fēng)巷開(kāi)口南部1235m的位置，有一個(gè)A形狀的斷層，且斷層傾斜，角度為63°，區(qū)內(nèi)存在落差，在10～20m。斷層區(qū)向內(nèi)延伸830m左右，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。大部分頂板都比較完整，主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，同時(shí)，還分布煤線軟弱夾層，掘進(jìn)的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，甚至?xí)斜容^大的矸石掉落，十分危險(xiǎn)。偽頂大部分為頁(yè)巖，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部層羅的情況。底板大部分是砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。

選用MB670/265型掘錨機(jī)進(jìn)行施工，配合10SC32-48C型梭車、DSJ1002X160帶式輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸。該巷道為矩形巷道，斷面寬5.4m，高3.2m，采用“三八”循環(huán)作業(yè)的方式。

2 高預(yù)緊長(zhǎng)錨固技術(shù)

2．1 頂板連續(xù)梁

在頂板使用預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)置錨固巖梁，要確保錨固巖梁的厚度，這樣可以將離層消除，也能夠減少失穩(wěn)的情況，進(jìn)而保障掘進(jìn)的安全性。采用這種方式可以讓本層內(nèi)、多層間相互聯(lián)動(dòng)，也就是所謂的連續(xù)梁。具體來(lái)說(shuō)，就是巷道頂板在橫豎兩個(gè)方向的梁，這些梁具有連續(xù)性，在簡(jiǎn)單且堅(jiān)硬的頂板巖石的條件下，巷道很容易做到寬度連續(xù)，豎向連續(xù)要對(duì)錨桿支護(hù)的作用進(jìn)行考慮和分析。如果采用這種技術(shù)理論，則穩(wěn)定性與錨桿預(yù)應(yīng)力的水平有一定關(guān)系，在預(yù)應(yīng)力滿足一定要求的情況下，在錨桿預(yù)緊力作用范圍中，可以很好地控制頂板離層。受到預(yù)應(yīng)力的影響，錨桿可以進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和協(xié)調(diào)變形，以此控制頂板變形的情況。在高壓力水平的情況下，預(yù)應(yīng)力較高，但強(qiáng)度較低的錨桿相較于沒(méi)有預(yù)應(yīng)力但強(qiáng)度較高的錨桿，前者的效果更好。應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力錨桿的主要目的就是建立連續(xù)墻，使頂板更加穩(wěn)定，能夠承受高壓的影響，強(qiáng)化頂板的剛性，使其成為剛性梁或者接近剛性梁，進(jìn)而消除拉伸區(qū)，也能將巷道兩邊的較高的應(yīng)力集中系數(shù)降低。

連續(xù)梁理論的重點(diǎn)，就是將水平預(yù)應(yīng)力施加在錨桿行，這樣可以充分利用巖層間的協(xié)調(diào)變形，從而使頂板更加穩(wěn)定。增加連續(xù)梁頂板可以讓頂板巖層處在三向壓縮的狀態(tài)下，可以降低高壓的影響，確保頂板的完整性。在連續(xù)梁理論中，錨桿桿體并不屬于承載結(jié)構(gòu)的一部分，而是將高水平的初撐力提供給頂板，這樣才能形成連續(xù)梁頂板，其具有壓力自承結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用連續(xù)梁頂板，可以降低錨桿的后期增仔，桿體只需具備維持應(yīng)力的能力即可，無(wú)須其他作用。

2．2 高緊長(zhǎng)錨固技術(shù)

高預(yù)緊長(zhǎng)錨固技術(shù)應(yīng)用后，可以制作出預(yù)緊力較高、錨固層較厚的連續(xù)梁。該技術(shù)中采用的錨桿工作效能較高，與普通錨桿的工作效率相比，該錨桿的工作效率要高出3倍多。所以，利用此類錨桿，可以進(jìn)行跨界支護(hù)，進(jìn)而使巷道更加穩(wěn)定。要充分發(fā)揮林旭亮理論的作用，就要合理運(yùn)用高預(yù)緊長(zhǎng)錨固技術(shù)。

2．3 柔性錨桿

在高預(yù)緊長(zhǎng)錨固錨桿中，柔性錨桿是比較常用的一種錨桿，桿體采用鋼絞線制作，利用鎖具進(jìn)行預(yù)緊，強(qiáng)度較高，可以達(dá)到1850MPa。除了強(qiáng)度高之外，柔性錨桿還具有預(yù)應(yīng)高、工藝形成優(yōu)良、增載性強(qiáng)大的技術(shù)特征。

3 支護(hù)方案的對(duì)比與優(yōu)工作面化

3．1 舊支護(hù)方案

原本的支護(hù)方式為“錨-網(wǎng)-索”三種方式的聯(lián)合支護(hù)。其中，頂板錨桿采用的是左旋螺紋錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2200mm，間排距為1100mm×1100mm；托盤(pán)采用鋼托盤(pán)，形狀為正方形，規(guī)格為150mm×150mm×12mm；錨索采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，規(guī)格為Φ17.8mm×6200mm，每一排都要使用，使用數(shù)量為3根，間排距為1500mm×300mm；托盤(pán)采用鋼托盤(pán)，形狀為拱形，規(guī)格為300mm×300mm×16mm；選用CK2370號(hào)樹(shù)脂；還要使用鋼筋網(wǎng)，尺寸為Φ6.5mm×5400mm×1100mm，網(wǎng)格大小為100mm。非回采幫采用剛錨桿，類型為左螺旋紋型，規(guī)格為Φ20mm×2200mm，每排都要使用，使用數(shù)量為3根，間排距為1100mm×1000mm。還使用了菱形金屬網(wǎng)格，總體大小為3300mm×1100mm，網(wǎng)格的大小為50mm。回踩側(cè)幫采用玻璃剛錨桿，規(guī)格為Φ27mm×2000mm，每排都需要使用，使用數(shù)量為3根，間排距和前面相同。雙抗塑料網(wǎng)也是不可或缺的應(yīng)用材料，規(guī)格為3300mm×1100m，網(wǎng)孔的大小為50mm。在該支護(hù)方案應(yīng)用的過(guò)程中，需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行頂板支護(hù)，且受到掘錨機(jī)錨臂擺動(dòng)幅度的影響，需要由技術(shù)人員對(duì)中間錨索進(jìn)行補(bǔ)打，這種掘進(jìn)方式不僅缺少安全性，而且效率不高，需要改進(jìn)和完善。

3．2 支護(hù)方案優(yōu)化和具體效果

根據(jù)前文所述內(nèi)容，要優(yōu)化舊方案，可以采用頂板連續(xù)梁理論和高預(yù)緊長(zhǎng)錨固技術(shù)，具體優(yōu)化方式如下：

擴(kuò)大加固圈，將深部圍巖的性能作用充分發(fā)揮出來(lái)，對(duì)淺部的變形情況進(jìn)行了有效的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了大小位移之間的相互聯(lián)動(dòng)，不僅可以提升承載全強(qiáng)度，還能增加承載全的厚度，使其可以對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)進(jìn)行有效的抵抗。

降低密度、提高效能。改變舊方案中的幾何參數(shù)，包括間排距等參數(shù)。要從參數(shù)設(shè)計(jì)變?yōu)殄^桿支護(hù)效能設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升支護(hù)效能，并且降低密度。

維持預(yù)應(yīng)力。隨著時(shí)間的流逝，預(yù)應(yīng)力會(huì)逐漸變小，需要對(duì)錨桿進(jìn)行多次加扭，這樣才能確保錨桿具有較高的預(yù)應(yīng)力，從而保障頂板連續(xù)梁的形成。

根據(jù)以上三個(gè)步驟，在實(shí)際施工的過(guò)程中，可以將設(shè)計(jì)方案更改為：頂板采用柔性錨桿，規(guī)格為Φ21.8mm×4000mm，同時(shí)配合鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，每排都要使用錨桿，使用數(shù)量為4根，距離為1000mm；不僅要使用柔性錨桿，還要配合樹(shù)脂錨固劑，分別采用CK2370號(hào)樹(shù)脂和Z2370號(hào)樹(shù)脂；配合鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔的大小為70mm；頂板鉆研時(shí)采用的轉(zhuǎn)頭大小為Φ27mm，有效的錨固長(zhǎng)度為2300～2400mm，同時(shí)在外部露出150～300mm。預(yù)拉力應(yīng)該超過(guò)200kN。

將上文所述的優(yōu)化方案應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)巷道之中，并在巷道中設(shè)置測(cè)站，測(cè)站數(shù)量為3個(gè)，利用十字測(cè)量的方式對(duì)圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，明確支護(hù)方案優(yōu)化前后的差異，了解新支護(hù)方案的支護(hù)效果。通過(guò)監(jiān)測(cè)可知：在0～100m的掘進(jìn)工作面中，兩幫移近量呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，具體為現(xiàn)行增長(zhǎng)。在100～130m的工作面中，兩幫呈現(xiàn)出穩(wěn)定的效果，移近量在11～23m；在頂板與工作面相距0～130m時(shí)，下沉量呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，具體為現(xiàn)行增長(zhǎng)，超過(guò)130m之后，頂板逐漸穩(wěn)定，下沉量約為7mm。可見(jiàn)，采用優(yōu)化方案之后，支護(hù)效果有了明顯的提升，巷道圍巖的變形情況得到了有效的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在深部復(fù)雜地質(zhì)條件下半煤巖巷快速掘進(jìn)的過(guò)程中，需要采取有效的掘進(jìn)技術(shù)、支護(hù)方式，這樣才能確保掘進(jìn)的效率和安全。可以利用頂板連續(xù)梁理論，不僅要對(duì)技術(shù)進(jìn)行完善，還要采用新型材料，將原本的聯(lián)合支護(hù)變?yōu)槿嵝藻^桿支護(hù)，以此優(yōu)化支護(hù)程序，使圍巖變形情況得到有效的控制和改善。不僅如此，還要進(jìn)行礦壓觀測(cè)，掌握礦壓規(guī)律，為工作改進(jìn)提供依據(jù)。