采礦工程采空區巷道掘進支護技術研究

陳 康

（山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司， 山西 高平 048400）

引言

隨著國家對各種資源的大量需求，除了加大對石油的開采力度，也不斷加強對國內煤礦資源的開采。將當前先進的支護技術及成熟設備應用到巷道支護中，提升煤礦巷道開采中的掘進支護可靠性及安全性，已成為當前老礦井的支護方式升級改造及新礦井支護方式設計建造中的重點考慮內容[1]。為此，結合山西野川煤礦礦井特點，對該礦井巷道的掘進支護方式進行了臨時和永久性支護設計，針對巷道中的關鍵設備及施工過程進行了重點設計分析，最終對該巷道掘進支護進行了現場跟蹤及記錄，由此，驗證了所設計的巷道掘進支護的可靠性及安全性，為提高礦井的作業安全提供了重要保障作用。

1 礦井基本情況

山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司是由晉煤重組辦發〔2009〕44號文件批準的兼并重組整合礦井，位于高平市西北15 km處的野川鎮境內。野川煤業總體為一走北東，傾向北西的單斜構造；沿傾向方向有幅度不大的波狀起伏，中東部以走向北東的向斜構造為主，兩翼地層平緩基本對稱，傾角約3°～8°，總體地質構造簡單，水文地質類型劃分為中等，無沖擊地壓[2]。井田全部可采煤層為3號、15號煤層，11號煤層為局部可采煤層。礦井現采3號煤層，煤層平均厚度為5.39 m，保有資源儲量為4 548萬t，15號煤層保有資源儲量為3 847萬t，11號煤層保有資源儲量為1 401萬t。

另外，該煤礦中的礦井最大相對瓦斯涌出量為15.24 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為29.91 m3/min，屬高瓦斯礦井。礦井采用斜立井混合開拓方式，布置有主副兩個斜井和一個回風立井，全部落底于3號煤層，通風方式為中央并列式[3]。井下布置一個采區，采區現布置一個3205綜放工作面，一個3202切眼綜掘工作面。掌握礦井工作面的具體情況，能更加有針對性地對礦井中關鍵分系統進行設計，以此保證整個礦井的安全可靠性。

2 巷道掘進支護方式的確定

2.1 巷道臨時支護

結合野川煤業礦井的結構特點，選用了1套ZLJ-5.5機載裝置對巷道進行臨時支護。該設備的架設方法為掘進機完成掘割裝煤作業后，將機組退至永久支護下，放下截割頭并對機組進行閉鎖，按下列程序操作進行臨時支護[4]：先檢查支護各部位零部件管路是否正常，再把兩位三通閥打到支護位置，打開掘進機泵站開關，給臨時機載支護供油，支護工將鋼筋托梁和金屬網妥當放在機載臨時支護上，待支護工撤離至安全地點后，機組司機向前推動支護主架和頂梁架液壓控制手柄，主架和頂梁架由折合狀態，慢慢平穩打開，開到所需要的角度和位置再升主架，升到巷道頂板，將鋼筋托梁和金屬網壓緊在巷道的頂板上，閉鎖機載臨時支護裝置，然后作業人員站在臨時支護下進行永久支護作業，打注完錨桿（索）后，作業人員撤出施工地點以外安全地點，機組司機先把主架下降到最低位置，再折合主架和頂梁架，合到頂梁架趴在掘進機上為止，把兩位三通閥打到掘進機位置，進行下一循環掘進。當巷道遇到頂板留不住時，可在臨時機載支護上方，放置道木與巷道頂板接頂。

整個巷道臨時支護的工藝過程為：退機→截割頭落地并閉鎖機組→調整主架和頂梁架位置→閉鎖機載臨時支護裝置→敲幫問頂找掉活煤（矸）→支護工抬鋼筋托梁、金屬網妥當放在機載臨時支護上→支護工撤離至安全地點→機組司機向前推動主架和頂梁架到需要的角度和位置→抬升主架接頂嚴密→閉鎖機載臨時支護裝置→閉鎖掘進機→支護工在臨時支護下進行永久支護作業→以此循環漸進進行作業。

2.2 巷道永久支護

巷道的永久性支護方式包括高強度錨桿、錨索、鋼筋托梁、金屬網聯合支護。結合野川煤業礦井的結構特點，確定了巷道永久支護的工藝流程為[5]：臨時支護后→安全檢查（敲幫問頂后）→畫眼位→錨桿鉆機鉆錨桿孔→清孔→安裝錨固劑（先放一支MSK2335快速錨固劑，再放一支MSZ2360中速錨固劑）和錨桿→上錨桿托板、墊圈、螺母，升起錨桿鉆機并用攪拌器聯接錨桿鉆機和錨桿尾部→用錨桿機攪拌錨固劑（91～180 s）→停止攪拌等待1 min后→進行二次轉動錨桿鉆機扭緊螺母→收縮錨桿鉆機→用力矩扳手緊至設計值→安裝其他錨桿。在支護中使用到的支護設備及工具包括：礦斧、手鎬、大錘1把，鐵鍬3張，ZQS-50/1.6S型幫錨桿鉆機、MS18-200/60型錨索張拉器、力矩扳手、氣腿式鉆機、錨桿鉆機鉆桿B19、錨桿鉆機鉆頭Φ 28 mm或30 mm、MQT-120型風動錨桿鉆機，YT-28風鉆等。另外，在支護過程中，當工作面0.8 m循環時，永久支護距工作面迎頭的最大距離≯1200 mm、最小距離≯400 mm，永久支護下錨索要緊跟工作面打注，不得滯后施工；當工作面1.6 m循環時，永久支護距工作面迎頭的最大距離≯2 000 mm、最小距離≯400 mm，永久支護下錨索要緊跟工作面打注，不得滯后施工。

3 巷道掘進支護中關鍵過程設計

3.1 工作面中液壓支架的選型設計

3.1.1 液壓支架類型確定

液壓支架作為礦井掘進支護中的關鍵設備，選擇合理、匹配的型號設備，至關重要。由此，根據山西野川煤礦礦井的結構特點，選用ZY3400/8.5/18掩護式支架來實現對礦井的掘進支護。所選液壓支架的設計最大控頂距為4.7 m，最小控頂距為4.1 m，工作面長為150 m，共需支架99架，支架型號為ZY3400/8.5/18，支架工作阻力為3 400 kN。該設備的主要參數如表1所示。

3.1.2 液壓支架支護強度校核

綜采工作面選取的液壓支架額定工作阻力應符合以下條件：

式中：F為液壓支架的額定工作阻力，kN；P為工作面的合理支護強度，0.36 MPa；S為端頭液壓支架的支護面積（最大控頂距×支架寬度）7.05 m2。

代入數據計算得F≥2 538 kN。

表1 ZY3400/8.5/18掩護式支架技術參數表

同時，綜采工作面底板比壓應符合以下條件：

式中：P底為底板巖石抗壓強度，MPa；M為液壓支架質量，9.3 t；S底為液壓支架底座面積，3.3 m2。

代入數據計算得P底≥0.8 MPa。

根據表2內容對液壓支架進行適應性比較，確定選擇的支架滿足支護要求。

表2 液壓支架參數對照表

3.1.3 支護強度校驗

現綜采工作面液壓支架型號為ZY3400/8.5/18，額定支護強度3 400 kN。故所選架型ZY3400/8.5/18（掩護式），能夠滿足采煤工作面頂板管理和安全生產需要。

3.2 錨桿錨索技術參數確定

巷道支護中錨桿類型有很多種，結合實際情況選擇的錨桿類型為圓鋼錨桿，錨桿直徑為18 mm，長度為2 000 mm。同一排中錨桿之間的距離設置為850 mm，相鄰兩排錨桿的距離同樣設置為850 mm。錨桿在安裝時需要配合使用1支樹脂藥卷，具體型號為CK2340。此外還需要的配套裝置包括拱形托盤和螺母，其中拱形托盤的規格尺寸為120 mm×120 mm×8 mm。錨桿的錨固力必須超過50 kN。頂板錨索采用的是鋼絞繩錨索，其直徑和長度分別為17.8 mm和8 000 mm。錨索的間距和排距全部設置為1 700 mm，即采用的是“2-1-2”的布置形式。錨索安裝時需要配合使用2支樹脂藥卷，型號為CK2360，此外還需要使用工具托盤，托盤的規格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。為了確保錨索的錨固效果，要求錨索必須深入穩定層超過1 000 mm，錨索的錨固力需要超過200 kN，通過預應力安裝，錨索的預應力超過150 kN。錨桿和錨索安裝時全部與頂板保持垂直安裝。

3.3 噴層厚度及其強度分析

在巷道圍巖表面噴涂混凝土的目的，主要是避免巷道圍巖出現風化問題，從而影響圍巖的穩定性。我國頒布的規范標準中，已經對噴涂混凝土的厚度提出了明確要求。結合巷道圍巖的實際情況，確定混凝土強度為C20，噴層厚度設置為100 mm，分兩次噴射，第1次噴射厚度為50 mm，等到巷道圍巖徹底穩定后再噴射50 mm[6]。

4 礦井現場支護效果評價

結合前文對山西野川煤礦礦井巷道掘進支護的設計，加上該巷道中其他分系統的整體設計及施工，完成了該礦井巷道的設計建造工作。為進一步掌握所設計的巷道支護方式的可靠性，對所建巷道的支護情況進行為期12個月的實際跟蹤記錄。在整個運行過程中，整個巷道的支護設備運行穩定，未出現明顯異常，掘進支護工藝流程操作合理、支護效果顯著，巷道中的頂板也未出現異常破壞現象。該項目實施后，整個巷道受影響區域縮小了80%左右，煤礦的開采量也同比增加了50萬t左右，巷道因支護產生的故障問題減小了70%左右，給企業帶來了將近1 000萬的凈利潤收入，并有效提高了巷道作業過程中的安全性。由此，驗證了所設計的礦井巷道掘進支護技術的可行性強，效果好。

5 結論

鑒于礦井巷道的環境相對惡劣、復雜，不斷加強對礦井巷道掘進支護方式的優化升級設計，提升巷道作業過程中的支護效果及作業安全性，成為當前重要的研究重點。由此，結合山西野川煤礦礦井巷道的地質環境特點，對該煤礦巷道進行了臨時及永久性支護方案設計，并對巷道支護過程中所涉及到的關鍵設備及工藝進行了重點設計，通過對該巷道現場支護效果的應用評價，得出所設計的巷道支護具有更高的可靠性及安全性，可有效提升煤礦的開采量，降低巷道的故障率，得到人員的一致認可，具有重要的實際應用價值和借鑒意義。