復雜地質條件下快掘配套走向梁支護技術研究

高健銘，韓長路

(1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307；2.陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵一號煤礦核定生產能力600萬t/a，井田面積197.35 km2，可采儲量3.4億t。2號煤層是礦井主要可采煤層，煤層傾角一般在1°～6°，煤厚0.9～4.62 m，均厚2.69 m，煤層結構屬簡單-較復雜類型，含夾矸0～3層。礦井采用平硐、斜井聯合開拓，盤區式開采布置方式，現主要生產盤區為六盤區和十盤區。礦井采用單水平開拓，主要大巷沿煤層布置，采煤工藝采用綜合機械化長壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區頂板。

2013年一號煤礦在十盤區1001工作面開始進行較薄煤層智能化無人開采技術工程實踐，2014年5月通過中國煤炭工業協會專家組鑒定，隨后在較薄煤層智能化開采技術成功實踐的基礎上，黃陵一號煤礦加快智能化開采技術推廣和示范應用工作。2015年開始在802工作面進行中厚煤層智能化無人開采技術研究與應用工程實踐，截至2020年底，一號煤礦已完成16個智能化工作面回采任務，累計回采煤炭2 605.6萬t，實現了礦井薄煤層、中厚煤層智能化開采技術應用的全覆蓋。

隨著一號煤礦開采范圍擴大，開采深度加劇，巷道圍巖地質條件趨于復雜，回采巷道受到二次采動影響后，出現頂板下沉、兩幫移近、底鼓加劇等現象，已無法滿足智能化綜采工作面生產需要。礦井綜采工作面智能化水平不斷提高，但掘進工作面仍采用傳統裝備，EBZ-160型掘進機、DPS-1040皮帶、MQT-130型氣動錨桿機鉆機、ZQS-50型風動手持式鉆機等需要消耗大量人力的設備，掘進效率低下，每月單進300 m，嚴重制約著礦井生產接續平衡。

1 巷道掘進條件

1.1 工作面位置及井上下關系

1008進風順槽位于十盤區中部，東接北一進風大巷，西鄰六盤區。1008進風順槽向南30 m保護煤柱為1007回風順槽，巷道已掘到位，向北235 m為1008回風順槽，巷道正在掘進。1008進風順槽設計長度2 847 m。

1008進風順槽對應地面位置位于一號煤礦四號風井西部，工作面對應上部地表為低山林區和臺地，有燒火溝穿過，上覆巖層厚度為266～440 m。

1.2 煤層及頂底板情況

1008進順沿2號煤層底板掘進。2號煤層結構簡單，傾角1°～4.5°，掘進范圍內煤層厚度變化為1.8～2.2 m，平均厚度2.1 m，屬穩定煤層。

工作面老頂為細粒砂巖和中砂巖共生，平均厚度7.1 m。中砂巖分選性較差，泥質膠結；細粒砂巖灰白色，中部夾有薄層泥巖。

直接頂為粉砂巖和泥巖共生，平均厚度7.7 m。粉砂巖深灰色、灰黑色，鈣質膠結，中夾薄層中砂巖及砂質泥巖；泥巖為灰黑色，局部含少量粉砂巖，層理不明顯。

底板為泥巖，平均厚度2.5 m，易破碎，遇水膨脹，易底鼓。

1.3 地質構造情況

1008進順開口至切眼掘進方向整體為下坡。根據勘探報告，1008進順鄰近F5正斷層，掘進過程中受F5正斷層影響可能揭露伴生斷層。

1.4 水文地質情況

1008進順主要水源為頂板含水層水和構造水。頂板主要含水層為直羅組下段砂巖含水層，巖性主要為粗粒砂巖和中粒砂巖，平均厚度35.8 m；隔水層主要為延安組2號煤層以上至直羅組底界所組成的隔水層，巖性為泥巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖，平均厚度109.8 m。工作面主要隔水層為相對含水層，掘進過程中可能出現頂板淋水等現象。

2 巷道支護參數優化

2.1 原支護參數

1008進順為矩形巷道，掘寬5.0 m，掘高2.8 m；頂板采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+T140新型鋼帶+塑鋼網聯合支護。根據巷道設計寬度和工作面使用超前臨時支護裝置情況，頂錨桿靠幫側2根錨桿間距900 mm、中間4根錨桿間距850 mm，錨桿排距1 000 mm交替支護，“六-六”矩形布置，錨桿規格為φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗MSK2335型樹脂3節；錨索梁采用T140新型鋼帶長4.6 m，一梁四索，排距2 000 mm，采用φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每根消耗MSK2370型樹脂3節。原支護參數平面布置如圖1所示。

圖1 1008進順原支護參數平面布置Fig.1 Plane layout of the original support parameters of 1008 air inlet roadway

2.2 優化后支護參數

2.2.1 理論計算

依據懸吊理論，結合前文所述1008進風順槽煤層及頂底板情況表、鉆孔柱狀圖地質資料，參考1008進順頂板以上20 m范圍巖性勘查成果圖，校核支護強度。

錨桿長度校核：按懸吊作用計算錨桿的長度，應滿足

L≥L1+L2+L3

式中，L為錨桿總長度，m；L1為錨桿外露長度，取0.05 m；L2為有效長度(頂部取免壓拱高b)，m；L3為錨入巖(煤)層內深度，取0.6 m。其中

式中，B，H為巷道寬度、高度，分別為5.0 m、2.8 m；f頂為頂板巖石普氏系數，2～3.2，取最小值2；ω為兩幫圍巖的似內摩擦角，ω=arctanf頂。

經計算得出：b=1.63 m，頂錨桿長度L≥2.28 m。根據推導，頂錨桿設計長度為2.5 m，滿足要求。

錨桿間排距校核：按錨桿所能懸吊的重量校核，應滿足

經計算得出：頂錨桿α<1.32 m，幫錨桿α<2.1 m。根據推導，頂部錨桿、幫部錨桿設計間排距，均能滿足要求。

錨索長度校核：錨索長度應滿足

L=La+Lb+Lc+Ld

式中，L為錨索總長度，m；La為錨索錨入穩定基巖層的錨固長度(La≥Kd1fa/4fc)，m；Lb為需在不穩定巖層懸吊的厚度，m，根據黃陵一號煤礦地質資料取6.2 m；Lc為托板及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為外露張拉長度，取0.3 m。K為安全系數，取2；d1為錨索直徑，取最小值17.8 mm；fa為錨索抗拉強度，查表為1 860 N/mm2；fc為錨固劑與錨索的粘合強度，取10 N/mm2。

經計算得出：La≥1.65 m，L≥8.25 m。因此，錨索設計長度8.3 m，可滿足要求。

錨索排距校核：按照懸吊理論錨索排距應滿足

式中，L為錨索排距，m；n為錨索排數，取1；B為巷道冒落的最大寬度，6.32 m；H為巷道最大冒落高度，取錨桿的最大支護長度2.5 m；γ為巖體容重，取26 kN/m3；L1為錨桿排距，取1 m；F1為錨桿錨固力，取150 kN；F2為錨索極限承載力，φ17.8 mm錨索承載力為360 kN；θ為錨桿與巷道頂板的夾角，90°。

經計算得出：L≤2.91 m。根據推導，錨索梁設計排距2 m，能夠滿足使用。

每排錨索根數校核：每排錨索根數應滿足

式中，N為錨索數目；K為安全系數，2；P斷為錨索破斷力的最低值，鋼絞線直徑為φ17.8 mm時為360 kN；W為被懸吊巖石的自重(W=B×∑h×∑γ×D)，kN；B為巷道寬度，5.0 m；D為錨索間排距，取0.8 m；∑h為懸吊巖石厚度，取6.2 m；∑γ為懸吊巖石平均容重，26 kN/m3。

計算得N≥4(3.73取整)，即排距2 m，巷寬5 m范圍錨索數量最少為4根。

2.2.2 優化后走向梁支護參數

采用錨桿+錨索梁+塑鋼網聯合支護，頂錨桿中間四排間距850 mm，靠兩側兩排間距900 mm，排距為1 000 mm，“六-六”矩形布置；錨索梁采用T140新型鋼帶加工，梁長為4.6 m和4.4 m的2種，均為一梁四索，4.6 m錨索梁排距為2 000 mm，4.4 m錨索梁排距為1 600 mm，每組間距1.6 m，4.4 m錨索梁與4.6 m錨索梁呈桁架結構布置，錨索均采用φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每根消耗MSK2370型樹脂3節；巷道全斷面掛塑鋼網，網孔規格50 mm×55 mm。如圖2所示。

圖2 1008進順優化后走向梁支護參數平面圖Fig.2 Plan view of strike beam support parameters after optimization of 1008 air inlet roadway

3 配套快掘裝備

隨著煤炭行業裝備技術水平發展，現代化大型礦井不斷增加，礦井采煤速度越來越快，但掘進速度卻沒有明顯提高。采、掘失衡已成為制約我國煤礦高產高效發展的主要因素。根據統計，掘進效率低的主要矛盾在于掘、支不平衡，每個作業循環中，掘進機割煤時間約占16%～33%，支護時間約占49%～65%，掘進速度相對較快，但支護作業占用了多半的時間。

根據現代化大型礦井發展需求，大力發展“掘、支平行作業”裝備及工藝，提高支護作業效率，是解決掘進效率低下的關鍵。由于煤炭賦存條件千差萬別，很難研制出一套適用于各種地質條件的快速掘進技術與裝備。因此，在“掘、支平行作業”理念的指導下，因地制宜地設計適應某種地質條件的快掘系統是較好的辦法。

結合黃陵一號煤礦地質條件，提出掘進機超前支護快掘系統，該系統由掘進機、超前支架和運錨機組成，如圖3所示，該套裝備主要技術參數詳見表1。適用于頂板完整性較差，需采用臨時性支護的煤及半煤巖巷道，較小斷面巷道掘進。根據生產實際統計，掘進單進水平提高至576 m。

圖3 掘進機超前支護快掘系統Fig.3 Advance support and rapid excavation system of roadheader

表1 主要技術參數Table 1 Main technical parameters 單位：m

掘進機連續向前割煤掘進，交錯式邁步液壓支架對新掘巷道頂板進行臨時性支護，運錨機在皮帶轉載的同時進行錨桿支護。一個作業循環完成后，掘進機向前推進，超前支架交錯式邁步向前行走，空頂始終處于支護狀態，同時運錨機拉動二運向前行走，進入下一個循環。

采用走向梁支護技術，可以有效減少運錨機支護作業過程中對巷道風筒、管路等影響，提高了頂板支護效率，確保了巷道支護安全作業，為回采巷道實現快速掘進打下了堅實基礎。

4 結語

為更好滿足智能化綜采設備的運行，提供良好的開采條件，根據礦井地質條件，通過理論計算，對回采巷道支護參數進行優化，提出回采巷道走向梁支護技術，實現“一次支護，永不返修”的目標，同時滿足快速掘進配套裝備的使用，掘進工作面實現“掘、支平行作業”，實現快速掘進的目的，以緩解礦井采掘接續緊張的被動局面，為礦井智能開采提供有效保障。