煤礦煤層巷道掘進支護技術(shù)工藝的探討

崔曉剛

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046699）

引言

煤炭作為我國重要的能源之一，是我國經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的重要保障。我國幅員遼闊，煤炭資源賦存豐富，但是不同地區(qū)的煤炭質(zhì)量、地質(zhì)條件、自然環(huán)境存在一定的差異，煤炭采掘工藝過程不近相同[1-2]。近年來發(fā)現(xiàn)，特厚松軟煤層開采難度較大，工藝過程較為復(fù)雜，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的重視[3]。巷道支護技術(shù)作為保證煤炭正常采掘的安全保障，要求其可靠性高，但特厚松軟巷道兩幫和頂板較軟，挖掘過程中極易出現(xiàn)坍塌事故，必須采取合適的支護工藝方可保證巷道工作穩(wěn)定可靠[4-6]。因此基于某煤礦特厚松散煤層現(xiàn)有掘進支護工藝，開展新支護技術(shù)工藝設(shè)計具有重要的意義。

1 巷道概況

某巷道的設(shè)計長度為980 m，包含近70 m 巖巷，其余均為煤巷，巷道的埋深為360 m。巷道的橫截面形狀為矩形，寬度尺寸約為3.5 m，高度尺寸約為2.8 m。巷道內(nèi)部煤層厚度較大，平均厚度為8.5 m，煤層傾角范圍為4°～15°，平均傾角為8°。該處地質(zhì)條件較為復(fù)雜、含水性中等，存在斷層、煤層質(zhì)地松軟等特點，因此要求采取合適的支護技術(shù)確保煤炭采掘人員及設(shè)備的安全。

2 原支護形式及其存在問題

2.1 原支護形式

巷道掘進沿煤層底部推進，支護形式是錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶組合支護，頂板使用金屬樹脂錨桿，螺距為25 mm，長度為2 000 mm。錨桿間距為900 mm，排距為1 000 mm。錨桿外連鋼帶和鐵托板，鋼帶規(guī)格為3 300 mm×180 mm×3 mm，鐵托板規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm。支護使用的錨索長6 000 mm，錨索間距為1 800 mm，排距為1 000 mm，布置成菱形狀態(tài)，首排布置兩根，第二排布置一根，外連鐵托板，規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm。巷道頂板位置布置金屬網(wǎng)，網(wǎng)格的規(guī)格為3 500 mm×1 200 mm。巷道支護形式的平面布置如圖1 所示。

圖1 巷道原支護形式平面布置圖

2.2 存在的問題

煤炭巷道掘進過程中觀察記錄現(xiàn)場支護情況發(fā)現(xiàn)存在以下問題，第一是兩幫位置的支護強度欠缺，巷道掘進數(shù)日測量得到的變形值就達到了近100 mm，片幫問題極為嚴重；第二是巷道掘進時，多個區(qū)段的頂板出現(xiàn)了明顯的下沉情況甚至冒頂；第三是巷道頂板局部出現(xiàn)底鼓，巷道截面出現(xiàn)明顯的收縮情況。可見當(dāng)前的支護形式對于特厚松軟煤層巷道的支護效果較差，出現(xiàn)了嚴重的片幫問題，具體巷道破壞情況如圖2 所示。同時也可以看出特厚松軟煤層巷道支護較困難，維修工作量大，支護成本高，有必要進行改進提高。

3 支護工藝改進設(shè)計

3.1 支護原理

巷道掘進沿煤層底板進行，巷道的頂板和兩幫均為煤炭，煤炭質(zhì)地松軟，支護困難。原支護形式出現(xiàn)變形嚴重問題，不能滿足煤炭安全掘進要求，擬采用錨網(wǎng)索+錨注組合支護形式。

圖2 巷道破壞情況

錨網(wǎng)索支護主要用于巷道頂板的支護，采用高預(yù)緊力錨桿+錨索+鋼帶+鋼網(wǎng)組合實現(xiàn)巷道多層支護。支護過程中錨索將錨桿組合支護結(jié)構(gòu)懸吊于深層圍巖之中，確保具有足夠的強度，強化支護效果。同時該種柔性支護形式，允許巷道圍巖釋放一定量的膨脹變形能量，增強圍巖的承載能力，確保巷道的穩(wěn)定性。

錨注支護主要用于兩幫支護，其加固過程中充分發(fā)揮錨桿支護和注漿加固的技術(shù)優(yōu)勢。注漿主要由水泥和水玻璃漿液組成，用于提高錨桿的錨固強度，同時，注漿的引入能夠提高錨桿周圍圍巖的結(jié)合力，提高煤巖的整體性，降低兩幫的膨脹變形，避免片幫事故出現(xiàn)。注漿支護技術(shù)的引入提高了錨桿支護的承載能力和穩(wěn)定性，能夠很好地適應(yīng)特厚松軟煤層的支護。

3.2 支護工藝參數(shù)設(shè)計

錨桿采用Φ20 mm 的右旋螺紋鋼，錨桿的長度為2 200 mm，錨桿安裝的間距為900 mm，排間距為1 000 mm，由錨桿三徑匹配原則要求鉆孔孔徑取Φ28 mm。錨索采用高強度低松弛鋼絞線，直徑為Φ15.24 mm，采用樹脂錨固劑進行端頭固定，配套大托盤和特制索具使用，錨索的布置間距設(shè)置為1 500 mm，排間距設(shè)置為2 000 mm。巷道兩幫采用直徑為Φ20 mm 的中空注漿錨桿，注漿液組成為水泥和水玻璃，其中中空注漿錨桿的抗拉強度不小于180 kN、安裝孔徑為30 mm、中空注漿為920 mm、注漿壓力要求不小于0.5 MPa，錨桿的長度為2 200 mm，排間距設(shè)置為1 000 mm，幫錨桿距離頂板的高度為600 mm，每排兩根；注漿液的配合比例（質(zhì)量比例）選擇為1∶1，水灰質(zhì)量比0.75∶1；鋼筋網(wǎng)使用的是Φ8 mm 的圓鋼電焊網(wǎng)，網(wǎng)格的規(guī)格為100 mm×100 mm，鋼筋網(wǎng)的尺寸為1 800 mm×3 500 mm，兩幫位置的鋼筋網(wǎng)尺寸為1 800 mm×2 500 mm，與頂板位置的鋼筋網(wǎng)搭接焊合；鋼帶選擇W 型，規(guī)格為3 800 mm×145 mm×3 mm；頂板錨桿和錨索的錨固劑選擇CK2370 樹脂，每根錨桿使用一卷，每根錨索使用4 卷；錨桿托盤的規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm，錨索托盤的規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm，兩幫中空注漿桿帶砼托盤規(guī)格為600 mm×200 mm×100 mm。具體的支護形式平面如圖3 所示。

3.3 支護工藝實施

3.3.1 頂板錨桿（索）施工工藝

圖3 巷道支護形式平面布置圖

頂板錨桿施工首先需要進行錨桿位置的確定，定位誤差要求控制在100 mm 之內(nèi)，深度要與錨桿自身的長度相適應(yīng)，按照規(guī)定的作業(yè)指導(dǎo)書完成錨桿孔的施工；之后在每個錨桿孔內(nèi)部填充樹脂錨固劑，使錨桿的錨固力≥100 kN/根、設(shè)置錨桿預(yù)緊力≥30 kN，施工過程中的扭矩要求≥150 N·m；錨索布置過程中施加的預(yù)緊力≥100 kN，錨固力要求≥200 kN/根，每個錨索安裝孔內(nèi)填充兩卷CK2370 型樹脂藥卷，要求錨固深度≥6 000 mm；錨桿托盤施工必須緊貼金屬網(wǎng)，擰緊緊固螺栓，確保金屬網(wǎng)與巷道壁面緊緊貼合，防止出現(xiàn)松動；錨桿打壓必須在巷道支護的條件下進行，指派專業(yè)人員進行頂板的監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)問題立即處理；錨桿安裝出現(xiàn)班組交接工作時，檢驗人員需要運用測力計進行臨時驗收，一旦出現(xiàn)錨固力不滿足設(shè)計要求，必須要求交接之前完成補打安裝；根據(jù)頂板破碎程度和所受壓力可以進行錨桿補打；支護開口和透口位置的幫網(wǎng)須謹慎施工，連接合格，確保貼合煤幫，方可進行后續(xù)作業(yè)。

3.3.2 錨注施工工藝

錨注施工之前要求錨桿運輸和存儲環(huán)節(jié)保持清潔、端頭完整，以免影響錨注的效果；錨注孔鉆屑過程需要嚴格控制孔與孔之間的距離、角度和深度，鉆完之后運用高壓風(fēng)清孔，當(dāng)孔所在位置的煤層較為松軟時，需要清除松軟煤炭，以便保證錨桿固定之后的承載強度；注漿錨桿插入安裝孔，人工安裝止?jié){塞、螺母等配件，之后對稱布置鋼筋網(wǎng)，要求鋼筋網(wǎng)兩端緊貼巖面，采用砼托板、錨桿托盤、螺栓等將鋼筋網(wǎng)固定，施加適量的預(yù)緊力；借助快速連接接頭將錨桿和注漿機器連接起來，調(diào)整注漿機的參數(shù)，啟動注漿泵進行注漿；剛開始注漿需要緩緩增大注漿的壓力和注漿量，并且要求邊注漿邊攪拌，避免出現(xiàn)沉淀膠凝，要求一次完成注漿不能中斷；注漿凝固至設(shè)計強度的六成時可以再次擰緊螺母，增加預(yù)緊力至≥3 t；極易出現(xiàn)煤層易碎的位置可以配置紗布和錐形橡膠止?jié){塞，有效保證注漿質(zhì)量。

4 支護效果評價

將新設(shè)計的巷道支護工藝應(yīng)用于煤礦特厚松軟煤層支護，配置相關(guān)巡檢人員進行為期3 個月的跟蹤記錄，結(jié)果表明，頂板支護最大變形僅為62 mm，兩幫支護最大變形為48 mm，相較于原支護工藝，巷道支護最大變形量降低了近40 mm。應(yīng)用結(jié)果表明，新工藝下的巷道支護穩(wěn)定可靠，提高了巷道工作人員和設(shè)備的安全性，實際運行情況如圖4 所示。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計，新支護工藝的應(yīng)用降低巷道支護維護成本近30%，減少巷道支護故障停工時間近25%，提高煤炭掘進設(shè)備的利用率15%，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益近120 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖4 新巷道支護運行情況