炮掘巷道超前支護技術改造研究

楊 柳

（晉能控股煤業集團燕子山礦， 山西 大同 037003）

引言

目前，我國超前支護裝置包括單體液壓支柱與金屬鉸接梁支護相配合、單體柱加大板棚式支護、點柱式支護、前探梁式支護及簡易木支柱支護。除前探梁式支護、單體柱加大板棚式支護之外，其他支護所存在的缺點是較大的勞動強度、較小的支護面積；前探梁式支護不能單獨使用，要由液壓系統相配合，并且是配套的；剩余的單體柱加大板棚式支護缺點是比較笨重、不易操作等，上面幾種方式都不能在炮掘工作面中使用[1-2]。由于掘進工作面的作業循環與空間的管理限制著炮掘工作面，導致迎頭支護工作面的難度增加，所以，一定要對炮掘工作面中的支護工藝與支護裝置進行研究，創造對作業人員有利的環境。

1 某礦煤層及炮掘工作面概況

1.1 礦井概況

在晉能控股煤業集團的某礦中，煤層有5°～18°的傾角，所以該煤層是緩傾斜的。在礦井的區域中，發育著不少的斷層，并且斷層的斷距不會大于3 m，所以屬于小斷層，在靠近斷層的圍巖發育著裂隙，由于采掘擾動所帶來的影響，就會有變形出現在部分地方的頂板中。

每個煤層的頂板所具有的巖性最重要的就是炭質泥巖、細砂巖及灰色粉砂巖。炭質泥巖構成了直接頂，并且巖石所承受的平均強度是13 MPa，軟化系數平均是0.15，所發育的裂隙是節理的，比較復雜的結構。灰白色粉砂巖構成了基本的頂巖性，硬度是中性的，致密，在飽和情況下，抗壓強度單向的就是8.52～56.3 MPa，大概平均是17.86 MPa，軟化系數平均值是0.28。灰白色粉砂巖構成了直接底，質地不硬。細砂巖、粉砂巖構成了老底。顏色是灰色的、發育著節理與層理，膠結是泥質的，硬度是中度的，致密，地下水會把其溶解，比價低的巖石強度，在飽和情況下，抗壓強度單向的就是3.28～44.5 MPa，大概的平均值是17.86 MPa。

1.2 工作面現狀

+640 m 的水平石門開拓工程就是該區域的炮掘工作面與WⅡ02040503 的下順槽機頭段，并且使用的掘進工藝是炮掘，出渣的是扒渣機，選用的運輸方式是輸送帶+刮板輸送機。工作面掘進的位置是保護煤柱的底部，其四周的煤巖體都是實體的，并且是沒有開采的；在進行掘進時，會依次對4 號煤層、5 號煤層、7 號煤層進行穿越，并且該煤層發育著節理與層理，比較松散、易破碎，極易發生冒頂與片幫。

在設計掘進工作面時，把其斷面設計成了三心拱，并且斷面的掘寬、凈寬、掘高、凈高分別是4 500 mm、4 300 mm、3 700 mm、3 500 mm，并且掘進斷面的面積與凈斷面積分別是15.7 m2、14.1 m2。錨網噴使用到巷道中，強錨桿選用的型號是Φ20 mm×2 200 mm，錨桿與錨固劑的比例是1∶3。相鄰錨桿的間排距是800 mm、1 000 mm，在1 排錨桿中布置的錨索的數量是2 根，選用的鋼絞線的型號是Φ18.9 mm×6 000 mm，其間排距是1 600 mm、3 000 mm，錨索與錨固劑的比例是1∶6，選擇的錨固劑是CK2335。對鋼筋進行焊接就形成了鋼帶，鋼帶、幫的規格是Φ12 mm×5 000 mm、Φ12 mm×3 400 mm，頂部與幫部的冷拔絲網相應的規格是5 000 mm×1 200 mm、3 400 mm×1 200 mm。

2 原超前支護方式及缺點

2.1 原超前支護方式

在超前支護中，是把支護錨桿與支護架相互配合著使用的，并且支護架是把鋼管進行焊接而成的，該鋼管適用于普通的炮掘工作面。前探梁固定卡子、背板、無縫鋼管構成了前探梁，前探梁固定卡子的數量是4 個，無縫鋼管的數量是2 根，規格是Φ89 mm×4 000 mm，對螺帽、刮板鏈條及金屬環進行焊接就形成了前探梁固定卡子，并且刮板鏈條的重量是40 t、長度是30 mm，金屬環的規格是Φ95 mm。在進行安裝的過程中，要把裸露在外的錨桿上擰上卡子，并且卡子的間距與排距分別是2 400 mm、2 000 mm。把前探梁固定卡子設置到永久支護中，并且前探梁固定卡子是金屬的，而且前竄要比1/3 的梁長還要小，讓永久支護和其相連。對其繼續推移，從外至里，一直推移到支護位置，并且固定前探梁的是背板，不能把背板斜放。空頂區域能夠被所深處的前探梁護板所掩護，護板構成了背板，護板的數量為5 塊，并和頂相接，并把其擰緊，滿足護頂的有關要求。一共有15 塊護板，護板的長、寬、厚分別是3 500 mm、200 mm、50 mm。圖1就是前探梁的設計圖。

圖1 炮掘進工作面改造前的前探梁設計圖（單位：mm）

在完成爆破循環后，把支護頂板的錨桿和超前支護架進行聯接，并且超前支護架是焊接的，二者的聯接是由人工來完成，在支護架之上在實施爆破之后，永久支護下面就有操作人員對問頂進行敲幫，在進行確認之后，把木板梁與前探梁進行前移，木板會把頂板接實，基于前探支護來支護頂錨，并且支護是從外至里。

2.2 超前支護方式存在的缺點

1）在未爆破時，都要拆除前探梁支護，在完成爆破循環之后進行再次安裝，在拆除與安裝時，需要比較大的勞動強度，及較長的作業時間，對單進標準的影響比較大，并且下背板與上背板都是高空作業，有比較大的安全風險。

2）在爆破時，已經把前探梁支護拆除，在對異常作業如啞炮進行處理時，頂板支護的效果就會缺少，極易有片幫與冒頂事故發生。

3）如果沒有固定與綁扎好前探梁鋼管中的背板，就會有傾翻發生，對人員的生命安全產生影響；與此同時，永久支護的錨桿中有吊掛的前探梁鋼管，并且使用的是卡子，由于卡子受限于其剛度，所以由于外力對前探梁的作用，而使其發生晃動，導致安全事故發生。

3 改造設計超前支護

3.1 基本原則

經過對有關資料的查閱，以下就是其前探梁支護應該遵循的改造原則：

1）比較簡單的結構，簡易的加工制作，較強的適用性；

2）比較可靠的性能，可以對端頭的頂板發生的冒落狀況進行很好的抑制；

3）簡易的操作過程，不會影響炮掘工作面的作業工序。

3.2 改造設計要點

經過分析原前探梁中所存在的優點，并和綜掘工作面中的液壓前探梁所具有的特征相結合，來改造設計超前支護，以下為詳細的改造內容：

1）把鋼管進行焊接就形成了前探梁，并且鋼管的壁厚是3 mm，直徑是25 mm，前探梁由兩部分構成，每部分的長與寬均為1 600 mm、1 300 mm；在對滑道進行制作時，要制作2 個，其寬度是150 mm；剩余的縱梁之間的距離是163 mm，把鐵絲網鋪設到前探梁之上，并且鐵絲網是密紋的，圖2 就是其詳細的設計圖。

圖2 炮掘工作面改造后的前探梁設計圖（單位：mm）

2）對錨索托盤進行制作，制作的數量是8 個，把觀測孔加工至錨索托盤中，并且觀測孔的直徑是60 mm，下頁圖3 就是錨索托盤的設計圖。

圖3 錨索托盤的設計圖（單位：mm）

3）對固定前探梁的錨桿進行加工，并且加工的數量是8 根，把Φ20 mm 錨桿制作成強螺帽，采取焊接10 號扁鋼來連接螺帽，螺帽數量是2 個，2 個螺帽之間的距離是70 mm，在剩余一側焊接錨桿，數量是1根，長度是250 mm。

4）對防墜鏈進行加工與焊接，防墜鏈加工的長度是500 mm，數量是4 個，和前探梁一側的縱梁的距離是165 mm。

3.3 優化超前支護工藝

在結束放炮之后，在相關負責人的帶領下敲幫問頂和把積存于前探梁中的碎石進行清除，與此同時把防墜鏈卸下來，把固定錨桿繼續松動，并且固定錨桿是在滑道中，繼而在對前探梁進行移動，一直移動工作面的迎頭。在進行安裝的過程中，前探梁要被叉子頂起，對滑道進行固定，固定的位置是和迎頭相距的第2、3 排中的裸露在外的永久支護的錨桿的一端，一定要擰滿滑道中螺母。在固定到滑道之后，要把所有防墜鏈固定在支護鋼帶中，增強支護前探梁強度。

3.4 優化后超前支護的優點

1）2 片前探梁組成超前支護，并且在加工過程中要依據巷道斷面的形狀進行加工，并有弧度，這樣可以全面支護頂板，使支護的盲區減少；

2）在爆破前與后，不用把前探梁取下來，在完成爆破循環之后，把前探梁進行前移，然后再繼續接下來的支護過程，這樣就能使炮掘工藝一直實施頂板支護；

3）提前留有2 個滑道，前探梁的加固是由錨索托盤來實現的，并且是在滑道上比較簡易的移支，降低對前探梁進行拆卸所帶來的勞動量與工作延誤了。

4 結語

由于要解決煤礦中炮掘工作面的前探梁支護中存在的缺點，所以經過設計優化改造了原前探梁。在實際使用中得知，在對前探梁支護進行改造之后，不僅降低了操作的復雜程度及作業循環操作，而且安全性能得到了很大的提升。