近距離煤層大斷面切眼一次成巷及支護技術

李朝勝

(山西古縣西山圪堆煤業,山西 臨汾 042404)

山西古縣西山圪堆煤業在近距離煤層大斷面切眼巷道施工中,對一次成巷施工技術進行了一次大膽嘗試并取得了成功,巷道掘進順利完成,巷道支護安全可靠。

1 工程概況

山西古縣西山圪堆煤業3#煤層平均厚度為1.75 m，2#煤與3#煤的層間距在2.37 m～4.20 m之間，平均厚度8.09 m，屬近距離開采煤層。11301工作面位于該礦3#煤層的一采區，切眼設計長度150 m，斷面為毛寬6.0 m、毛高2.4 m的矩形斷面。切眼處3#煤頂板到2#煤底板的厚度在5.8 m～6.5 m之間；偽頂缺失；直接頂為泥巖，不平整，易破碎，厚度在2.3 m～3.1 m之間；直接頂上部是一層0.2 m～-0.5 m厚的-2#煤；-2#煤上部是一層0.3 m～0.6 m厚的白沙巖；白沙巖上部是2#煤的底板，巖性為泥巖，厚度在2.1 m～3.0 m之間；2#煤平均厚度1.2 m，已被小煤窯采用房柱式采煤方法全部采空。

2 掘進方法

切眼掘進采用EBZ132半煤巖掘進機掘進。先前計劃是采用二次成巷技術，即先掘進毛寬4 000 mm、毛高2 400 mm的矩形巷道，然后再在回采幫刷擴2 000 mm，兩次施工將切眼掘挖成毛寬6 000 mm、毛高2 400 mm的矩形斷面。在實際的施工中嘗試采用一次成巷技術，即將6 000 mm×2 400 mm的切眼毛斷面一次性掘挖成型。EBZ132掘進機定位掘進最大寬度為4 800 mm，因此在斷面掘挖過程中需要反復移動、調整掘進機位置，才能將6 000 mm寬的斷面掘挖成型。

3 支護設計

3.1 開口支護設計

采用1對長8 m的11#礦用工字鋼當做抬棚梁。在切眼開口處按1 500 mm的間距共打5根起吊錨索,再用焊有防側滑板的錨索托盤將2根工字鋼梁一并鎖吊起來,其后再在對梁的兩端頭各加支1根直徑不小于200 mm的圓木支柱,形成1對由錨索懸吊和圓木支撐合力支護的開口抬棚梁,將開口處原巷道中的鋼棚梁一并抬住,去掉原鋼棚梁下的支腿,即可進行開口作業。

3.2 切眼支護設計

切眼毛斷面設計為上寬6 000 mm、下寬6 200 mm、高2 400 mm的梯形斷面。巷道支護設計為“錨桿+錨索+金屬棱形網+工字鋼棚+圓木點柱”的聯合支護方式。頂錨桿為Φ20 mm、長2 000 mm的螺紋鋼錨桿，配1根K2360、1根Z2360樹脂藥卷進行錨固，托盤為110 mm×110 mm×10 mm的方形蝶托盤，錨固力設計為105 kN，預緊扭矩不小于150 N·m，錨桿間距900 mm、排距1 000 mm，成矩形布置。頂錨索為Φ17.8 mm、長5 200 mm的鋼絞索，配1根K2360、2根Z2360樹脂藥卷進行錨固，托盤為250 mm×250 mm×18 mm的鋼板托盤，錨固力設計為180 kN，預緊應力不小于30 MPa，錨索間距1 800 mm、排距2 000 mm，成矩形布置。金屬棱形網由10#鐵絲編織而成，規格為1 200 mm×6 000 mm，橫向鋪網，搭接200 mm，用雙股細鐵絲綁扎聯接，綁點兩排，間距150 mm、排距200 mm，“三花型”布置。鋼棚為11#工字鋼加工而成，梁長5 600 mm、下寬6 200 mm、凈高2 300 mm，梯形架設，棚距1 000 mm，架在兩排錨桿的中間位置，用背板“盤幫勾頂”，幫三頂七。圓木點柱直徑不小于200 mm，支設在鋼棚梁下面，每梁兩柱，間距3 000 mm，滯后掘進機15 m支設。

3.3 臨時支護設計

采用“卡環+π型梁+木板梁”的前探臨時支護。π型梁長4 500 mm，共3根，每根梁采用3個卡環吊掛，卡環固定在架設好的鋼棚梁上，梁間距1 500 mm，均勻布置。木板梁3根，長3 000 mm，與鋼棚梁平行鋪設在π型梁上，3根木板梁交錯平行布置。

4 掘進工藝與進度

設計掘進循環進度1.0 m,最大控頂距1.2 m,最小控頂距0.2 m。掘進工藝流程為:掘進→敲幫問頂→聯網→移前探梁→臨時支護→打錨桿(錨索)→架工字鋼棚→盤幫勾頂→滯后掘進機支點柱。

切眼全斷面一次成巷技術,開口前10 m和設備安裝用時3 d;切眼正常掘進長度為140 m,掘進班可完成2個掘進循環,檢修班可完成1個掘進循環,每天可以完成5 m進度,用時28 d;完成整個切眼施工共用時31 d。切眼二次成巷技術,巷道掘進時,開口前10 m和設備安裝需用時3 d;掘進班可完成3個掘進循環,檢修班可完成2個掘進循環,每天可以完成8 m進度,完成巷道掘進需用時17.5 d;撤設備、退掘進機、前10 m擴幫、重安裝設備需用時3 d;巷道擴幫,掘進班可擴4 m,檢修班擴2 m,每天可擴10 m,完成140 m擴幫需用時14 d;二次成巷技術完成整個切眼施工共需用時37.5 d。切眼全斷面一次成巷技術比二次成巷技術要少用時6.5 d。

5 巷道支護成本比較

切眼全斷面一次成巷技術與二次成巷技術在成巷后其支護形式是一模一樣的,也就是說最后階段,兩種技術方法支護成本是一樣的。但二次成巷技術中,第一次巷道掘進時需要每米套架工字鋼棚進行支護,擴幫時又要把套架的鋼棚逐架替換出來,盡管替換出來的鋼棚大部分還可以重復使用,但前期投資要大得多;逐架撤替鋼棚及擴幫時,會對已支護好的頂板產生擾動,擴幫時需要對原巷道進行超前加強支護,這部分人力成本和前期投入也是相當大的。由此可見,切眼全斷面一次成巷技術在巷道支護成本上要比二次成巷技術少得多。

6 大斷面切眼一次成巷支護技術要點

1)近距離煤層中切眼全斷面一次成巷在頂板支護上最關鍵的一步就是要及時進行主動支護。及時打注錨桿、錨索,利用錨桿、錨索的預緊力對頂部巖層進行強有力的擠壓加固,將頂部巖層組合成一個整體梁,努力增強頂部巖層自身的抗壓和抗變形能力,防止巖層碎裂、漏空,是頂板支護中最關鍵的一環。掘進工藝上,一定要嚴格遵守“一掘一錨一支”的原則;循環進度要嚴格控制在1 m的范圍內,堅決杜絕超循環作業行為;錨桿、錨索要打注1根,安裝1根,堅固1根;頂板不好的情況下,還應將一個循環分成兩半作業,先割一半的巷道,打好錨桿(錨索)后,再割另一半的巷道。

2)近距離煤層大斷面切眼巷道中控制頂板第二個關鍵是：控制頂板的下沉量。泥巖性質的頂板可彎曲性較強，在壓力的作用，頂板出現下沉是第一個表現，在大跨度的切眼巷道中表現更為明顯。在觀測巷道頂板下沉過程中發現：頂板下沉量在300 mm以內時，頂部巖層不會出現斷裂，巖層的整體性仍保持得比較好；當頂板下沉量在300 mm～500 mm之間時，直接頂巖層會出現碎裂、漏矸等現象；當頂板下沉量超過500 mm時，頂部巖層會出現明顯的斷裂聲音，如果達到這種程度，說明巷道發生大面積冒頂的風險就非常高了，應立即撤出人員，采取更加有力的支護措施進行處理，在實際施工中絕不能讓頂板下沉發展到這一步，否則支護上是極度困難的。控制頂板下沉量，應在頂板還沒有出現下沉現象時就要提前做工作，如果頂板已經出現下沉現象了，就要立即采取加強支護措施，努力將下沉量控制在200 mm以內。

3)近距離煤層中采用全錨方式支護頂板的可靠性不高,在大斷面的切眼巷道內及時進行套棚支護也是十分必要的。盡管5 m多長的11#工字鋼梁的支護強度有限,但它能補強全錨支護的可靠性,并能及時顯現頂板的壓力變化,掩護和預警作用極好。如果頂板出現較大壓力,套架的鋼棚還是進行二次支護的主要依托點。

4)在對近距離煤層巷道的礦壓觀測中發現:巷道剛挖掘成巷時壓力并不明顯,當巷道掘進長度超過20 m時,后面的巷道會逐步出現來壓現象,滯后掘進機支設的圓木點柱要及時支設,不能等到有來壓現象后才支設。另外,巷道經過上部煤層采空區地段的壓力相對較小,經過上部煤層留設的煤柱地段壓力較大,這段巷道的支護需要提前加強,一般是把套支單棚改為套支對棚,或者是縮小棚距。