采煤掘進(jìn)中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的運(yùn)用探究

楊振國

（山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048411）

1 煤礦概況

山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司隸屬于山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司，該公司的礦井井田屬于山西省沁水煤田高平礦區(qū)王報(bào)井田的一部分，井田面積6.907 6 km2，井田以寬緩褶曲為主伴有少量斷層和陷落柱的單斜構(gòu)造，走向NE，傾向NW，傾角小于15°，構(gòu)造屬一類（簡(jiǎn)單構(gòu)造）。水文地質(zhì)條件中等，屬低瓦斯礦井。礦井的開采深度在+800～+520 m，批準(zhǔn)開采3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層，現(xiàn)開采3號(hào)煤，3號(hào)煤層平均厚度5.3 m，采用綜采放頂煤采煤法。現(xiàn)礦井新建9號(hào)、15號(hào)煤層開采系統(tǒng)。本文以3號(hào)煤層為例，就高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的采煤掘進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行探析。

2 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)概述

2.1 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)定義

煤礦開采過程中經(jīng)常需要在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行采煤掘進(jìn)作業(yè)，在此過程中利用鋼絲網(wǎng)、噴砼、錨桿以及錨索等技術(shù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固的手段就是高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。樹脂錨桿是目前采煤掘進(jìn)高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)中較為常用的一種材料，改材料具有性價(jià)比高、支撐性能良好、便于運(yùn)輸安裝的優(yōu)勢(shì)。我國地域遼闊，一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的土層結(jié)構(gòu)較為脆弱，采煤掘進(jìn)的難度較高，高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高巷道的穩(wěn)定性和作業(yè)的安全性。

2.2 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用原理

主動(dòng)支護(hù)是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)支護(hù)作用的必要條件，通過在采掘巷道頂部的高強(qiáng)支護(hù)，當(dāng)最大預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)是高強(qiáng)支護(hù)裝置可以自動(dòng)開啟預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，利用傳遞出的應(yīng)力抵消部分的垂直應(yīng)力，通過圍巖強(qiáng)度的降低控制巖壁變形，進(jìn)而提高巷道內(nèi)壁的抗變形和抗壓能力，以達(dá)到加固巷道圍巖的穩(wěn)固性的目標(biāo)，提高采煤掘進(jìn)作業(yè)的安全性。高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的本質(zhì)就是應(yīng)力的傳遞和轉(zhuǎn)移，因而高強(qiáng)支護(hù)裝置也常被稱作預(yù)應(yīng)力承載梁[1]。在實(shí)際的煤礦開采中可以通過增加錨桿長度和承載力的方式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)高強(qiáng)支護(hù)。

2.3 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

采煤掘進(jìn)中運(yùn)用高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：一是高強(qiáng)支護(hù)可以提高深層巷道的穩(wěn)固性，增加巷壁承載力，保障采掘作業(yè)人員的安全性；二是高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)施工難度和成本都不高，且對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，基本上各類地質(zhì)條件下的采煤掘進(jìn)都可以應(yīng)用高強(qiáng)施工技術(shù)；三是高強(qiáng)支護(hù)裝置各部件易于運(yùn)輸和組裝，不會(huì)給井下作業(yè)人員增加額外的負(fù)擔(dān)；四是高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)通過對(duì)巷道穩(wěn)定性的提升降低了后續(xù)巷道維護(hù)的工作量，有利于成本控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，延長了巷道的使用壽命，有利于煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升。

2.4 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

首先在施工之前要先對(duì)需要支護(hù)的采掘巷道進(jìn)行考察，明確地質(zhì)條件、溫度、巖層類型等，通過各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算和施工難度的評(píng)估確定具體的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)類型和施工方案。其次要實(shí)現(xiàn)巷道的主動(dòng)防護(hù)，技術(shù)人員要盡可能通過各類支護(hù)裝置促進(jìn)巷道圍巖自身承受能力的增強(qiáng)，通過圍巖預(yù)應(yīng)力的提高實(shí)現(xiàn)巷道自主支護(hù)。最后建立完善的高強(qiáng)支護(hù)裝置檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的巷道支護(hù)構(gòu)件信息進(jìn)行采集和分析，進(jìn)而了解采掘巷道的高強(qiáng)支護(hù)現(xiàn)狀，從而明確后續(xù)的支護(hù)改進(jìn)方案，提高采掘巷道的壽命。

3 高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)在采煤掘進(jìn)中的實(shí)際運(yùn)用

3.1 噴射混凝土支護(hù)技術(shù)

山西蘭花百盛煤業(yè)的3號(hào)礦井通過超高強(qiáng)噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高巷道的穩(wěn)定性，施工作業(yè)中沒有出現(xiàn)過巷壁掉落導(dǎo)致的安全事故。根據(jù)噴射方式的不同噴射混凝土支護(hù)可以分為水泥裹砂噴射技術(shù)和干式噴射技術(shù)等。干式噴射需要利用噴砂機(jī)，作業(yè)人員先將混凝土、水泥以及速凝劑等材料添加適量的水后進(jìn)行混合攪拌，之后再利用噴砂機(jī)向采煤掘進(jìn)巷道的圍巖墻壁上噴射混合物，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的加固。水泥裹砂噴射混凝土支護(hù)技術(shù)需要使用到砂粒和水泥，使水泥裹住砂粒，再利用泵或者是壓縮空氣將混合物噴射到圍巖外壁上，提高巷道圍巖的承載力。在實(shí)際采煤掘進(jìn)施工之前，技術(shù)人員需要先了解巷道的地質(zhì)條件、采掘要求、支護(hù)成本、圍巖類型等情況，選擇恰當(dāng)?shù)膰娚浠炷林ёo(hù)技術(shù)并制定相應(yīng)的施工方案，以此作為具體的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)實(shí)施的參考。

3.2 錨桿支護(hù)技術(shù)

錨桿支護(hù)技術(shù)也是十分常用的高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)類型，山西蘭花百盛煤業(yè)錨桿支護(hù)技術(shù)實(shí)施可分為三個(gè)階段，首先是根據(jù)采掘巷道的巖層性質(zhì)和斷面形狀選擇恰當(dāng)?shù)腻^桿布置方式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巷道的應(yīng)用年限、圍巖動(dòng)壓的承受能力、斷面現(xiàn)狀等進(jìn)行錨桿的細(xì)化設(shè)計(jì)；二是明確錨桿空頂?shù)木嚯x和混凝土噴射，為了提高巷道的穩(wěn)固性盡可能避免圍巖的脫層及風(fēng)化，最低錨桿空頂距離不應(yīng)超過1.5 m，且噴射混凝土的時(shí)機(jī)必須要把握好；三是檢測(cè)，在錨桿支護(hù)裝置施工結(jié)束后還需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，分析施工結(jié)果與設(shè)計(jì)之間的誤差。圖1為煤礦巷道中錨桿支護(hù)的結(jié)構(gòu)示意圖，錨桿可以將松動(dòng)的巖塊穩(wěn)定在圍巖中，并盡可能將其深入穩(wěn)定巖層內(nèi)，實(shí)現(xiàn)巖層與不穩(wěn)定巖塊的聯(lián)接，避免巖層脫落導(dǎo)致的安全事故。利用錨桿可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)厚度的巖層的組合，通過組合拱、組合梁等更為穩(wěn)固的形式降低巖層滑移以及坍塌出現(xiàn)的可能性。加固是錨桿支護(hù)的重要作用，符合巷道圍巖規(guī)律的錨桿群設(shè)計(jì)，可以對(duì)巷道鍍金相應(yīng)深度的圍巖進(jìn)行擠壓和粘結(jié)，通過承載環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘巷道的防御支護(hù)。

圖1 錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 光爆錨噴支護(hù)技術(shù)

光爆錨噴支護(hù)技術(shù)綜合運(yùn)用了光面爆破、錨桿支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)技術(shù)，圖2為山西蘭花百盛煤業(yè)3號(hào)礦井所應(yīng)用的光爆錨噴支護(hù)技術(shù)的豎向結(jié)構(gòu)示意圖，通過錨桿將松軟巖層與堅(jiān)硬巖層進(jìn)行了聯(lián)接，并利用混凝土噴射層對(duì)其進(jìn)行了加固，有效提高了采掘巷道的穩(wěn)固性。技術(shù)人員在光爆錨噴技術(shù)應(yīng)用之前會(huì)對(duì)施工所涉及的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行明確，包括巷道的最小抵抗線、炸藥類型、炮孔間距、裝藥結(jié)構(gòu)以及不耦合系數(shù)等，提高光爆錨噴支護(hù)技術(shù)的施工效率，增強(qiáng)巷道圍巖薄弱部位的抗壓能力，維持巖層自身的穩(wěn)定性，避免圍巖的松動(dòng)或者是變形，保障采煤掘進(jìn)巷道的安全性。

圖2 光爆錨噴支護(hù)技術(shù)

3.4 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

除了上述三種高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)之外，山西蘭花百盛煤業(yè)3號(hào)礦井在實(shí)際的施工作業(yè)中也會(huì)根據(jù)具體的地質(zhì)條件和圍巖性質(zhì)對(duì)多種支護(hù)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)用。技術(shù)人員將U型鋼可縮性直接技術(shù)與錨背支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)合，在有效控制巷道變形之外還彌補(bǔ)了混凝土噴射支護(hù)技術(shù)的缺陷，使支護(hù)裝置的強(qiáng)度和安全性都顯著提高，有效保障了采煤掘進(jìn)巷道施工的安全性[2]。此外錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)也有著良好的運(yùn)用效果，技術(shù)人員先通過光面爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)巷道的掘進(jìn)，再進(jìn)行初步噴射和錨孔的設(shè)置，利用錨桿、鋼梁以及鋼絲對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)之后再在外層噴射混凝土，提高了支護(hù)裝置的固定性和抗壓性，對(duì)于采煤作業(yè)的順利進(jìn)行有著重要的意義。鋼筋網(wǎng)、木材以及混凝土都是高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的常用材料，其中鋼筋網(wǎng)背板在3號(hào)礦井的采掘巷道支護(hù)中應(yīng)用最多，將其與U型鋼可縮性支架進(jìn)行聯(lián)合可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部支護(hù)與外部支護(hù)的結(jié)合，顯著提高了煤礦采煤掘進(jìn)巷道的安全穩(wěn)固性[3]。

4 結(jié)語

采煤掘進(jìn)的難度會(huì)伴隨著煤礦采掘深度的提高而增加，深層巷道以及特殊地質(zhì)條件的采煤巷道的穩(wěn)定性較差，為了保障采煤作業(yè)人員的安全性必須要采取有效的支護(hù)措施，提高高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用水平。目前高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際的煤礦開采中得到了廣泛的應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好的支護(hù)效果，保障了巷道的安全性，在一定程度上降低了采煤掘進(jìn)的工作難度，提高煤礦開采的效率，促進(jìn)了我國煤礦事業(yè)的進(jìn)步與可持續(xù)發(fā)展。