煤礦采煤掘進(jìn)中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

王 亮

（西山煤電官地礦機(jī)電科， 山西 太原 030052）

引言

煤炭生產(chǎn)的安全性在一定程度上受制于巷道的支護(hù)效果和支護(hù)質(zhì)量。近年來(lái)，隨著采煤工藝和采煤技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及開(kāi)采深度的不斷升入，工作面巷道的地質(zhì)情況越發(fā)的復(fù)雜，巷道內(nèi)的礦壓現(xiàn)象問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，從而對(duì)巷道支護(hù)造成困難[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，為保證巷道的掘進(jìn)速度、推進(jìn)速度的要求，需采用效果更好、更加安全的支護(hù)方式。本文著重對(duì)煤礦采煤機(jī)掘進(jìn)中的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文以某礦為研究載體，該煤礦的生產(chǎn)能力為600萬(wàn)t/年，工作面煤層傾角范圍為20°～27°，平均傾角為23°，目前該工作面的開(kāi)采深度為138～338 m。該工作面巷道的長(zhǎng)度為1 180 m，工作面煤層的平均厚度為5.25 m，采高為4.2 m。工作面所采用的開(kāi)采工藝為長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化開(kāi)采，對(duì)應(yīng)的頂板管理辦法為全部垮落法。該工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

2 采煤掘進(jìn)工作面變形特征及影響因素分析

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2.1 采煤掘進(jìn)工作面變形特征

本文所研究工作面自施工以來(lái)巷道變形嚴(yán)重，為充分掌握工作面的變形情況，在其頂板采用“十字布點(diǎn)”的方式對(duì)頂板和兩幫的移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可將工作面的變形特征總結(jié)如下：

1）工作面巷道頂板出現(xiàn)不同程度的煤層脫落；巷道頂板所采用的支護(hù)錨桿被拉斷且鋼帶也被拉斷，其中有一部分鋼絲網(wǎng)被完全破壞[2]。其中，針對(duì)頂板下沉掉包嚴(yán)重的位置擦用木垛的方法進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，但最終效果不明顯。

2）整個(gè)巷道工作面的底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重，底鼓量最大可達(dá)1 500 mm。由于較大的底鼓量導(dǎo)致整個(gè)巷道的高度僅為1 m。

3）工作面巷道兩幫的片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致留設(shè)煤柱變小。

4）巷道底板與靠近工作面幫部的位置處出現(xiàn)嚴(yán)重的鼓出現(xiàn)象，導(dǎo)致原先的支護(hù)效果完全失效。

2.2 采煤掘進(jìn)工作面變形影響因素

導(dǎo)致采掘工作面巷道變形且被破壞的原因可總結(jié)如下：

1）工作面巷道圍巖的力學(xué)特性所導(dǎo)致。巷道頂?shù)装宓膸r層強(qiáng)度較低，在強(qiáng)度的壓力下容易導(dǎo)致巷道頂板或兩幫的壓力集中，從而導(dǎo)致頂板和兩幫的巖層發(fā)生塑形變形，繼而出現(xiàn)底鼓的現(xiàn)象，最終影響了巷道頂板和兩幫巖層的穩(wěn)定性[3]。

2）工作面開(kāi)采擾動(dòng)。在巷道掘進(jìn)期間巖層表面的收斂量較小，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)穩(wěn)定；當(dāng)工作面開(kāi)始采煤時(shí)，由于受到采煤動(dòng)壓力的影響，導(dǎo)致工作面巷道頂板出現(xiàn)下沉，而巷道煤柱被壓縮變形的現(xiàn)象。

3）支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。當(dāng)前工作面采用頂板錨桿支護(hù)、兩幫錨桿支護(hù)、頂板加掛鋼筋網(wǎng)，且在兩幫和頂板均設(shè)有鋼帶的支護(hù)方式。巷道斷面的支護(hù)如下頁(yè)圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

工作面巷道所采用的支護(hù)方式在一定程度上影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。鑒于該工作面的特殊性采用錨網(wǎng)梁和U型鋼復(fù)合支護(hù)的方式，但是鋼帶與鋼支架在剛度、強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)上不耦合。隨著巷道的不斷推進(jìn)，導(dǎo)致當(dāng)前巷道的支護(hù)方式下的U型缸和錨網(wǎng)梁不能起到共同承載和變形的目的，最終導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性被破壞。

3 采掘工作面高強(qiáng)支護(hù)的設(shè)計(jì)

為保證采掘工作面巷道的最終支護(hù)效果和支護(hù)質(zhì)量，需根據(jù)巷道的地質(zhì)條件、頂?shù)装迩闆r以及煤層特征選擇最佳的支護(hù)時(shí)間。此外，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，在能保證工作面安全生產(chǎn)的前提下，盡可能地降低工程造價(jià)[4]。經(jīng)對(duì)該工作面地質(zhì)條件和實(shí)際生產(chǎn)中巷道變形破壞特征及影響因素分析的基礎(chǔ)上，擬采用“支、護(hù)、封、讓”的聯(lián)合支護(hù)思路實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道工作面的高強(qiáng)支護(hù)。

3.1 高強(qiáng)支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

1）頂板錨桿支護(hù)參數(shù)：所采用錨桿的直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿之間的間距為700 mm，每排錨桿的間距為800 mm，采用2卷MSK23/70的錨固劑對(duì)其進(jìn)行固定。

2）兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)：采用錨桿的直徑為18mm，長(zhǎng)度為2 100 mm的螺紋鋼錨桿。錨桿之間的間距為700 mm，每排錨桿的間距為800 mm，采用1卷MSK23/70的錨固劑對(duì)其進(jìn)行固定。

3）底板錨桿支護(hù)參數(shù)：采用錨桿的直徑為20mm，長(zhǎng)度為2 500 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿之間的間距為700 mm，每排錨桿的間距為800 mm，采用2卷MSK23/70的錨固劑對(duì)其進(jìn)行固定。

4）加掛鋼筋網(wǎng)：鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格的形狀為正方形，長(zhǎng)度為150 mm。頂板鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片的長(zhǎng)度為5 000 mm，寬度為800 mm；兩幫鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片的長(zhǎng)度5 000 mm，寬度為2 000 mm。

5）加裝鋼帶：對(duì)于巷道頂板和兩幫的單個(gè)錨桿采用W型鋼帶對(duì)其進(jìn)行連接，使單個(gè)錨桿形成一個(gè)承載整體。

6）加裝錨索：在巷道底角布置錨索，所布置錨索的角度呈45°，所選錨索的直徑為15.24 mm，錨索的長(zhǎng)度為4 000 mm，每排錨索的間距為1 400 mm，采用3卷樹(shù)脂藥卷進(jìn)行固定。

3.2 高強(qiáng)支護(hù)的加固設(shè)計(jì)

針對(duì)工作面巷道變形破壞嚴(yán)重的位置采用注漿加固的方案[5]。注漿加固所選型的設(shè)備為氣動(dòng)高壓雙液化學(xué)注漿泵，具體型號(hào)為ZBQ-20/35，該注漿泵的具體參數(shù)如表2所示。

表2 ZBQ-20/35關(guān)鍵參數(shù)

除此之外，針對(duì)巷道頂板和兩幫破壞變形嚴(yán)重的位置，為巷道加設(shè)弧拱形鋼支架進(jìn)行加固，加固后斷面的支護(hù)如圖2所示。

圖2 弧拱形鋼支架加固示意圖（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

工作面巷道的支護(hù)質(zhì)量和效果在一定程度上決定整個(gè)工作面的生產(chǎn)效率，就巖層條件復(fù)雜的工作面而言，應(yīng)采用高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)對(duì)斷面進(jìn)行支護(hù)。本文針對(duì)某礦為其設(shè)計(jì)高強(qiáng)度支護(hù)方案：

1）針對(duì)該工作面頂板和兩幫變形破壞嚴(yán)重的問(wèn)題，在巷道頂板和兩幫采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的同時(shí)，為其加裝鋼筋網(wǎng)并為單個(gè)錨桿加裝鋼帶使其形成一個(gè)承載整體的支護(hù)效果。

2）針對(duì)巷道頂板和兩幫變形最為嚴(yán)重的位置，為其選擇注漿加固和增加弧拱形鋼支架的加固支護(hù)。