破碎煤層巷道掘進及支護技術研究

王國柱

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業有限公司， 山西 河津 043302）

引言

隨著煤炭行業及開采技術的發展，開采深度越來越大，深部煤層開采面臨著嚴峻的復雜地質問題，比如煤巖的穩定性較差、因地壓較大導致巷道變形等，而當前的深部開采技術還無法解決深部煤層環境復雜的問題。本文針對地質條件復雜的640 m的深部開采煤層，提出適合破碎巷道的掘進及支護技術，即采用短掘短支、機載超前支護及錨網索支護技術[1-2]。

1 工程概況

該采區的輔助巷道位于礦井的北部區域，主要沿2號煤層掘進，見頂見底，如果煤層厚度低于一定程度時，需要通過破底施工使底板呈現水平狀態。該巷道的基本參數見表1。

表1 巷道參數表

巷道中部分區域形成復合頂板，其厚度為0.5～1.0 m左右，頂板巖性屬于泥巖，煤線夾在上部的砂質泥巖之間，整體結構容易垮落。由于煤層賦存的深度較深，同時在施工過程中檢測到較大的巷道壓力，巷道出現明顯的變形，因此，對于整個巷道的掘進施工造成很大的影響。圖1為該采區的巷道布置圖。

圖1 采區巷道布置圖

2 掘進與支護難度分析

1）掘進難度分析。該采區巷道的掘進機械以綜掘機為主，循環進尺量可達到1600 m，每個循環包括兩次進刀。由于煤層的深度較大，從巷道開口處開始，巷道范圍內劇烈的礦壓變化導致巷道頂板極易發生塌落及離層，其偽頂的厚度可以達到0.8 m，當掘進機進行割煤作業時極易造成巷道頂板巖層巖塊的脫落，導致巷道頂板呈現高低不等的狀態，而且巷道圍巖質地松軟導致出現片幫。當前的巷道掘進施工手段效率低下，單日進尺量較小，巷道成型困難。

2）臨時支護。輕型單體液壓臨時支護方式是最常用的支護方式，但該支護技術無法有效解決松軟煤層帶來的壓力變化，導致采空區圍巖壓力變化明顯，在臨時支護過程中容易出現頂板的破碎及離層，對于礦井的安全施工造成影響。

3）永久支護。巷道頂板巖石類型主要為泥巖，圍巖自身穩定性差，同時偽頂的厚度較大，會在短時間出現頂板的離層及破碎，巷道的支護主要通過偽頂支護實現，容易出現多次重復性的局部偽頂垮落。因此，如何實現巷道及時高效支護是實現高效開采的重要因素。同時，已有的支護方式沒有解決頂板離層、底鼓、巷道偏移嚴重的問題，必須進行二次加強支護才能保證掘進的繼續。

3 技術方案

3.1 短掘短支及超前支護

針對本文研究所選取的深部煤層，推介巷道掘進采用EBA-132型掘進機，該掘進機能夠實現割煤的同時自行裝煤。但是由于深部煤層頂板壓力變化明顯，容易破碎及離層冒頂，故該掘進機采用短掘短支的方式，使循環進尺量減小到800mm，并且割煤過程中要保證兩側有足夠的余量空間，防止破壞兩幫的圍巖穩定。隨后，工人利用風鎬進行刷幫操作，防止產生超挖從而保障巷道的成型。巷道成型后在巷道內裝配刮板輸送機及膠帶輸送機進行運煤工作，整個巷道斷面一次性成型完工。具體施工流程為：開機準備—巷道瓦斯監測—掘進機完成割煤、裝煤及運煤過程—掘進機退后停機—敲幫問頂—臨時支護—永久支護[3-4]。

無論采用何種掘進方式，深部煤層巷道的掘進都會出現控頂距較大及支護不及時的問題，上述的掘進方式同樣如此，冒頂及片幫危險也經常出現。為此，必須對巷道進行超前支護強化臨時支護的效果，本方案的支護工藝主要包括兩個方面。第一，在截割部安裝主架與頂梁架，并通過液壓傳動手柄實現兩者之間的連接控制。一旦掘進過程中需要進行臨時支護時，首先需要將液壓傳動手柄撥動至支護檔，隨后打開液壓泵站向液壓支架內注入高壓液。高壓液注入完畢后，將支架上的鋼帶及網片安置于頂梁架的中線位置，通過支架上的磁鐵裝置進行固定，采煤機司機控制支架上的操作手柄使主架與頂梁架由原有的組合狀態變為分離狀態，根據頂板情況將支架放置于所需的位置。其次，調節主架與頂梁架之間的液控手柄，保證頂梁上升至頂板位置時其中線位置與巷道中線位置重合，將鋼帶及網片壓實至頂板上，同時調節液控手柄使掘進機護幫板貼合至煤壁上。最后，向巷道頂板打入錨桿，先將主架降低到最低點后再折合主架及頂梁架，待頂梁架整個橫置到掘進機上時，啟動操作閥，保證掘進機順利進入到下一環節。其支護裝置的設置如圖2所示。

圖2 掘進機超前支護設備布置圖（mm）

3.2 錨網索耦合支護

根據本采區巷道掘進的具體情況，選用錨網索耦合支護作為巷道的主要支護方式。該方案的主要設計參數選取如下。

3.2.1 錨桿長度的選取

錨桿長度值的確定主要根據煤壁的破壞范圍及頂板的破壞范圍確定。方案應用的煤壁破壞深度為1.34 m；頂板破壞范圍的等效半徑為2.1 m，松動圈范圍為1.08 m；故初步確定錨桿地總長度為2200mm，支護深度700mm，外露100mm。為了保證圍巖支護具有良好的穩定性，選擇500～680mm的擠壓帶對關鍵部位進行支護加強。同時，使用錨索能夠有效降低應力集中，減小圍巖變形，保證巷道穩定性。

3.2.2 支護方式的確定

針對該采區巷道掘進，采用錨網帶及錨網索支護，具體支護形式如圖3所示。具體的頂板、兩幫支護參數如表2所示。

圖3 巷道永久支護斷面圖（mm）

表2 支護參數規格表

除此之外，在巷道的頂板布置三排并列的錨索梁支護強化頂板、兩幫的支護，錨索梁規格為3000m，孔距1300mm，錨索規格為Φ19mm×6300mm鋼絞線，間距為Φ1300mm×1500mm，每根錨索用同種類型的四支錨固劑進行錨固，巷道兩幫補打單排錨索梁以實現加強支護，間距為800mm。

4 效果分析

通過短掘短支工藝在該采區巷道掘進的實際應用，可以發現，巷道的整體質量、穩定性得到極大的提高，有效降低了冒頂片幫出現的概率，巷道掘進施工效果顯著。掘進機的主動臨時支護，強化了原有不穩定煤層的臨時支護，保證了圍巖的穩定性，提高了巷道掘進的安全性，降低了傷亡事故。

為了保證該掘進支護方案的有效性，在巷道內每50 m安裝礦壓監測系統（包含離層儀和錨桿）用于監測圍巖壓力變化，實時提供壓力數據。通過為期50～70 d的持續監測，發現頂板的最大離層值可達到31mm，最大速率為7mm/d，平均離層速率為0.9mm/d。兩幫最大移近量為28mm，在監測初期，巷道兩邊圍巖偏移量較大，隨后逐漸減小，25 d后則很少變化。在整個觀測期內，巷道頂板、兩幫的偏移總量低于50mm，變形速率低于2mm/d，表明該掘進支護方案實際應用是比較合理有效的。

5 結語

通過對現場生產過程中頂板破碎條件下的生產情況進行分析匯總，提出采用短掘短支技術及將原有的臨時支護改為借助掘進機實現主動臨時支護的超前支護。當巷道由于頂板壓力出現下沉及垮落時，采用這種技術有效保證了巷道掘進的安全高效。實時監測系統的監測數據表明了該方案掘進支護工藝的有效性，為類似地質情況下的巷道掘進提供了理論指導。