复杂地质条件下的煤矿掘进支护技术应用

时间：2024-07-28

杨明明

（阳煤集团开元公司生产技术部技术组，山西寿阳 045400）

煤炭是我国的基础性能源，是国民经济发展和进步的重要保障，随着以采煤机、刮板输送机、液压支架为代表的综采设备的不断投入使用，煤矿井下综采作业效率得到了空前的提升。为了适应自动化设备井下综采作业需求和高效转运需求，对井下巷道的尺寸和支护安全性、掘进效率均提出了更高的要求。在传统的支护方案中主要是利用被动支护的方案，以锚杆支护为主、灌浆支护为辅，但在井下复杂地形条件下灌浆支护凝固效率低、浆液传输工作量大、经济性差，无法适应高效掘进的需求。本文提出了一种新的支护技术，其利用锚杆、锚索、锚网进行联合支护，充分发挥了各种支护方式的优势，不仅充分地调动了围岩的承载能力，而且锚固范围大、支护操作简单，根据实际应用表明新的掘进支护方案能将井下支护效率提升22.6%，将巷道围岩变形量降低76.2%，显著提升巷道掘进效率和安全性。

1 巷道支护形式选择

以井下典型复杂地形条件为例，其煤层中含有3层以上的夹矸层，每层夹矸层的厚度超过0.3 m，煤层位于裂隙发育区，而且在复杂地形条件下，由于岩层硬度差，因此在巷道顶板周期性来压作用下极易出现垮塌，传统的支护方案中一般采用了依靠经验进行反复加强支护的方式，利用架棚、锚杆等对出现松动的地方进行加固，工作量大、支护效率低。

锚杆支护的锚固深度一般为2 m，锚固深度较浅，在地质条件不稳定的情况下，无法对顶板覆岩的变形进行有效控制，在周期性来压作用下极易出现顶板垮塌。锚索锚固由于锚固深度大，因此可以有效地将浅层的围岩形成一个稳定的加强承载体，而且锚索通过锚固力可以将其控制范围内的岩壁锁紧并吊在顶板上，形成一个稳固的支点，不但降低了顶板的承载跨距而且也有效的降低了顶板在来压作用下的弯矩。锚网则主要是对易碎裂的区域进行防护，避免在掘进扰动和矿压波动下碎石的垮落，保证巷道内的掘进安全。因此结合锚网、锚杆、锚索的实际使用要求和作用，提出将三种支护形式进行有机统一的联合支护方案，将顶板的基本顶、直接顶和围岩形成一个整体组合梁，调动围岩深处的承载力，将掘进和来压过程中的应力向深处岩层传递，降低载荷冲击对锚杆支护结构和浅层岩层的破坏，提升巷道顶板的稳定性[1]。

在巷道掘进过程中的支护，根据形式的不同可分为永久支护和临时支护，掘进机掘进作业后首先由人工进行临时支护布置，然后再进行锚杆、锚索永久支护布置，该支护方案为串行式支护，不仅支护效率低而且支护安全性差。因此结合井下高速掘进作业需求，提出了“二合一”式的支护方案，将临时支护和永久支护工序进行合并，使锚网布置、钻孔、钻机移位等工序和掘进机的掘进作业并行开展，不仅取消了临时支护工序而且将部分永久支护工序进行前移，根据实际计算，采用“二合一”支护方案能够节约1/3的支护时间，而且有效避免了在永久支护过程中进行煤块清理、补强支护等，降低了劳动强度，提升了支护可靠性。

2 主巷支护结构优化

以典型的大巷道掘进面为依据，新的“二合一”支护方案中，在主巷道内设置了5组锚杆，在巷道左侧布置3组锚索，在巷道的右侧布置2组锚索。根据复杂地形条件下矿压显现的最大值，锚杆选用了直径为22 mm的螺纹钢锚杆，锚杆之间的横向距离设置为1 000 mm，锚杆的纵向距离设置为1 000 mm，设置在下侧的锚杆距离巷道底板为500 mm，设置在上侧的锚杆距离巷道顶部的距离同样为500 mm。锚杆在设置时需要根据井下的实际地质情况和巷道底板呈10°~15°的夹角。锚索布置时采用了3-4-3的布置结构，相互之间的距离为2 000 mm。在巷帮处每排设置3根锚杆，锚杆的纵向距离为1 000 mm，横向距离为1 000 mm，锚索的直径和锚杆直径一致，便于进行固定加强。锚索在设置时做出的锚索横向排距为1 000 mm，纵向排距为2 000 mm，最上层的锚索和顶板锚杆的距离保持在500~1 000 mm，下部的锚索和锚杆的距离也保持在500~1 000 mm。巷道右侧锚索的间距设置为2 200 mm，排距设置为2 000 mm。同时在锚索的尾部还需要设置相应的锁具[2]，锚固时的锁紧力不能低于250 kN，从而有效确保锚、索、网一体支护的稳定性，煤矿井下支护结构如图1所示。

图1 煤矿井下巷道掘进支护结构示意图（mm）

3 掘进机端部支护结构优化

在掘进机的端部由于断面尺寸相对较大，因此在掘进过程中容易出现冒顶事故，因此是快速掘进过程中巷道顶板支护的关键，结合巷道掘进工艺和支护安全性需求，提出了三次成巷快速支护方案[3]。在掘进过程中首先对巷道中间大面进行一次成巷，然后进行巷道大面锚索网联合支护，在此支护时需要沿着巷道施工走向先形成“井”字型的支护结构。支护完成后再对左侧和右侧分别进行成巷，从而确保了在不影响巷道掘进效率和质量情况下优化支护结构，提高支护效率和支护稳定性。

对巷道掘进端部的支护同样采用了锚网索联合支护的结构，先将锚索以“井”字型结构布置在巷道内，组成一个支护框架，满足对顶板的支护稳定性需求，然后在掘进机进行掘进作业的过程中将锚索用钢带串起来，钢带的间距设置为1 000 mm，排距设置为1 000 mm，钢带的数量根据煤矿井下巷道的实际宽度进行灵活选取，锚网选择孔径为30 mm的高密度锚网[4]，双层排列结构，确保掘进面掘进作业的稳定性，掘进机端部支护结构如图2所示。

图2 掘进机端部巷道支护结构示意图（mm）

4 应用效果分析

以某井下掘进作业面为验证对象，巷道宽度为5.0 m，巷道高度为2.8 m，巷道所处的地质条件为典型的不稳定型地质，且部分处在断层处，稳定性极差。对采用新的巷道掘进支护技术情况下的巷道掘进稳定性和效率进行对比分析，在巷道顶板和两帮设置位移监测装置，对掘进作业过程中的顶板下沉量、巷道两帮移近量和底鼓量进行监测，结果如图3所示。

图3 新支护方案下巷道变形情况统计

由实际监测结果可知，采用新的支护技术方案后，巷道的顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量均是先快速增加，然后逐渐的趋于平稳。顶板下沉量在第40 d时达到了31 mm，随后虽然变形量持续增加但增加速度极慢，在第120 d时稳定在了39 mm，比优化前降低了76.2%。巷道两帮的移近量在第61 d时达到了138 mm，随后虽然变形量持续增加但增加速度极慢，在第120 d时稳定在了145 mm，比优化前降低了91.1%。巷道的底鼓量，在第40 d时达到了58 mm，在第120 d时达到了86 mm，比优化前降低了79.1%。由此可知新的支护技术方案能够极大的提升巷道掘进过程中的稳定性。

通过对掘进过程中的效率对比，新的支护方案由于采用了锚索网一体式支护和“二合一”支护方案，总体掘进效率比优化前提升了22.6%，为提升井下综采作业效率和经济性奠定了基础。