高預(yù)緊低密度支護(hù)技術(shù)與掘錨護(hù)一體機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

王 瑜

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦，山西 柳林 033300）

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦2417 運(yùn)輸巷位于二采區(qū)西翼，埋深為193.7～416.5 m，主采4#煤層，運(yùn)輸巷采用2 部DSJ-100/80/2×160 型膠帶輸送機(jī)和1 部SZZ-764/160 轉(zhuǎn)載機(jī)出煤。2417 運(yùn)輸巷老頂平均厚度7.84 m 的中粒砂巖，直接頂平均厚度1.81 m的砂質(zhì)泥巖，淺灰色，厚層狀，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，以石英為主，長(zhǎng)石次之；直接底平均厚度5.14 m 的泥巖，灰黑色，塊狀，性脆，斷口平坦，較堅(jiān)硬。在掘進(jìn)過(guò)程中，揭露F41、F42、F45 共3 條斷層，其中運(yùn)輸巷揭露的斷層影響范圍較大，影響約220 m范圍，增加了掘進(jìn)作業(yè)的支護(hù)難度。

2417 運(yùn)輸巷為矩形斷面，巷道凈寬度5.0 m，凈高度3.2 m，沿4#煤底板掘進(jìn)。原錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)為：頂錨桿采用Φ20 mm×2400 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，矩形布置，間距900 mm，排距900 mm，每排支護(hù)6 根，頂錨桿配套使用Φ14-60-4700mm 的6 眼鋼筋圈梁壓W 鋼帶壓菱形網(wǎng)支護(hù)，角錨桿角度為75°。幫錨桿采用Φ16 mm×1800 mm 的圓鋼樹脂錨桿，矩形布置，間距850 mm，排距900 mm，配套使用Φ14-60-2750mm 的4 眼鋼筋圈梁壓菱形網(wǎng)支護(hù)，最上方一根錨桿距頂板300 mm，最下面一根錨桿布置在煤巖交界處。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6300 mm，錨索間距1200 mm，排距1800 mm，每排3 根，錨索下壓250 mm×250 mm×10 mm 錨索托板支護(hù)。菱形網(wǎng)規(guī)格為8000 mm×1100 mm，垂直巷道掘進(jìn)方向鋪設(shè)，網(wǎng)與網(wǎng)搭接100 mm，每200 mm 聯(lián)一扣。網(wǎng)要貼頂貼幫鋪設(shè)，鋪平拉直。聯(lián)網(wǎng)絲采用16#鉛絲，對(duì)折成雙股后扭結(jié)至少3 圈，一扣壓一扣。原錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)如圖1。

圖1 2417 運(yùn)輸巷原錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)（mm）

2 應(yīng)用思路

針對(duì)賀西煤礦2417 運(yùn)輸巷的地質(zhì)條件，將高預(yù)緊低密度支護(hù)技術(shù)與掘錨護(hù)一體機(jī)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，將快掘支護(hù)和掘錨護(hù)一體機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)[1-2]，可以實(shí)現(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)。其應(yīng)用思路如下：

（1）提供一種多功能集成的掘錨護(hù)一體機(jī)。該設(shè)備具有掘進(jìn)、臨時(shí)支護(hù)、機(jī)械化錨桿支護(hù)作業(yè)、負(fù)壓吸塵風(fēng)筒及高壓水噴霧于一體，因2417 運(yùn)輸巷工作空間狹小，要求設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、外形小巧、操作靈活。

（2）平行作業(yè)機(jī)載式錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。截割作業(yè)時(shí)，錨桿鉆機(jī)部位必須以最小的體積停放于主機(jī)側(cè)部，防止對(duì)截割作業(yè)產(chǎn)生影響；錨索支護(hù)作業(yè)時(shí)，鉆機(jī)必須能夠靈活伸出至前部待支護(hù)區(qū)域。錨桿鉆機(jī)之前應(yīng)該高度獨(dú)立、平行作業(yè)，才能保證錨桿作業(yè)的高效，進(jìn)而提高掘進(jìn)效率。

（3）深井復(fù)雜條件煤巷頂板時(shí)效支護(hù)機(jī)理研究。通過(guò)理論分析，建立厚層頂板錨固巖梁，實(shí)現(xiàn)消除離層和頂板連續(xù)化小變形，緩解煤幫壓力，減輕煤體損傷破裂。

（4）高預(yù)緊低密度錨索支護(hù)技術(shù)研究。通過(guò)優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)支護(hù)錨固長(zhǎng)度，提高單根錨索的支護(hù)效能，加強(qiáng)護(hù)表效果，形成低密度、高預(yù)緊、長(zhǎng)錨固強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)。

（5）工業(yè)性試驗(yàn)。確定最優(yōu)的支護(hù)方案與參數(shù)，并在掘進(jìn)工作面進(jìn)行工程實(shí)踐。

3 高預(yù)緊低密度錨索支護(hù)方案設(shè)計(jì)

高預(yù)緊低密度錨索支護(hù)效能達(dá)到普通錨桿的3倍以上，可形成較強(qiáng)的錨固力、承載力的穩(wěn)定錨固層，利用高預(yù)緊低密度錨索群構(gòu)建巷道頂板厚錨固層連續(xù)梁的支護(hù)技術(shù)，稱高預(yù)緊低密度錨索支護(hù)。

3.1 支護(hù)材料構(gòu)成

低密度錨索支護(hù)采用高強(qiáng)度錨索，錨索選用1×19 股鋼絞線結(jié)構(gòu)，配備同型號(hào)錨索鎖具，該鋼絞線強(qiáng)度不低于1860 MPa，桿體延伸率達(dá)3.5%.

3.2 支護(hù)方案及實(shí)施

根據(jù)2417 綜放工作面工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得知，錨固層厚度須至少為巷道跨度的2/3 以上，可得頂板錨固層厚度須在3.2 m 以上。鑒于2417 運(yùn)輸巷托頂煤的破碎性構(gòu)造，加上錨固層巖性及厚度變化，最終確定頂板短錨索支護(hù)長(zhǎng)度為4200 mm。

3.2.1 頂板支護(hù)

2417 運(yùn)輸巷支護(hù)實(shí)施方案：頂錨桿采用Φ22 mm×2400 mmSMG500#高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，托板采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。矩形布置，間距950 mm，排距1000 mm，每排支6 根，頂錨桿下壓錨桿托盤壓長(zhǎng)4950 mm、寬300 mm、厚4.5 mm 的W 型鋼帶壓六邊形網(wǎng)（長(zhǎng)×寬=5000 mm×1200 mm）支護(hù)，角錨桿角度不小于75°。錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6300 mm（1×19 股）高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距1200 mm，排距2000 mm，錨索下壓300 mm×300 mm×14 mm 的可調(diào)心拱形高強(qiáng)度錨索托盤及配套鎖具。

3.2.2 巷幫支護(hù)

幫錨桿采用Φ22 mm×2400 mmSMG500#高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強(qiáng)錨桿螺母M24×3，托板采用可調(diào)心拱型高強(qiáng)度托盤配減摩墊片，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。矩形布置，間距850 mm，排距1000 mm，每排左右兩幫各支護(hù)4 根，幫錨桿下壓錨桿托盤壓長(zhǎng)400 mm、寬300 mm、厚4.5 mm 的W 鋼護(hù)板壓六邊形網(wǎng)（長(zhǎng)×寬=2000 mm×1200 mm）支護(hù)，網(wǎng)與網(wǎng)搭接使用，W鋼護(hù)板垂直巷道布置（短邊順巷道掘進(jìn)方向放置），最上方一根幫錨桿距頂板200 mm 處向上傾斜15°施工，中間兩根錨桿水平施工，最下方一根幫錨桿距底板400 mm 處向下傾斜5°施工。支護(hù)參數(shù)如圖2。

圖2 支護(hù)參數(shù)圖（mm）

4 掘錨護(hù)一體機(jī)的工業(yè)性應(yīng)用

4.1 掘錨護(hù)一體機(jī)施工工藝

針對(duì)賀西煤礦2417 運(yùn)輸巷，提出了采用EJM270/4-2 掘錨一體機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的措施。在2417 運(yùn)輸巷的掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，具體工藝流程為：接班進(jìn)行全面安全隱患排查→驗(yàn)收工程質(zhì)量→延皮帶→掃底切割→敲幫問(wèn)頂→第一排頂網(wǎng)固定在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)上，將臨時(shí)支護(hù)升起緊貼煤巖面→連頂網(wǎng)→操作液壓鉆機(jī)，施工定位頂錨索眼→安裝定位錨索并張緊錨索→從巷道中間向兩側(cè)依次施工頂錨索→降下臨時(shí)支護(hù)，將第二排頂網(wǎng)固定在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)上，臨時(shí)支護(hù)升起緊貼煤巖面→連第二排頂網(wǎng)→施工定位頂錨索眼→安裝定位錨索并張緊錨索→從巷道中間向兩側(cè)依次施工錨索→進(jìn)行兩幫錨網(wǎng)支護(hù)→緊固幫錨桿螺母→預(yù)緊力及工程質(zhì)量驗(yàn)收→整改、達(dá)標(biāo)→交接班。

4.2 掘錨護(hù)一體機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

EJM270/4-2 掘錨一體機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)切割、裝載、運(yùn)輸、錨桿錨索支護(hù)循環(huán)作業(yè)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）安全。機(jī)載液壓鉆機(jī)操作人員始終位于機(jī)載臨時(shí)支護(hù)下方，在液壓鉆機(jī)自帶的作業(yè)平臺(tái)上作業(yè)，有效避免了片幫、冒頂安全事故發(fā)生。

（2）高效。機(jī)載液壓錨索鉆機(jī)比人工氣動(dòng)桿鉆機(jī)扭矩、鉆速、推力均增大1 倍以上，鉆孔和安裝錨索的速度可提高30%以上；標(biāo)準(zhǔn)化的鉆機(jī)布置，機(jī)械化的部移，減少了很多輔助工作，綜合掘進(jìn)效率高。

（3）減人。液壓鉆機(jī)固定在掘進(jìn)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)液壓遠(yuǎn)程操作，每部鉆機(jī)僅需1 人即可完成打眼、安裝錨索工序，而目前人工鉆錨一部鉆機(jī)需要2～3人才能完成。

（4）降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度。鉆護(hù)錨過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，避免了工具搬運(yùn)、鉆孔、預(yù)緊等人力操作，有效實(shí)現(xiàn)減人提效。

（5）提高錨固質(zhì)量。錨索緊固采用液壓裝備，扭矩可以達(dá)到300 N·m，是日前普通錨索鉆機(jī)的2 倍，可以大幅提高錨桿初錨力，提高錨固效果。

5 實(shí)施效果分析

在賀西煤礦2417 運(yùn)輸巷應(yīng)用EJM270/4-2 掘錨一體機(jī)與高預(yù)緊低密度錨索支護(hù)技術(shù)相結(jié)合，有效提高了掘進(jìn)支護(hù)效率，取得了單日最高掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)26 m，日均23 m，月度累計(jì)完成掘進(jìn)進(jìn)尺610 m 的較好成績(jī)。

為檢驗(yàn)高預(yù)緊錨索低密度支護(hù)效果，結(jié)合工程實(shí)際施工情況，對(duì)2417 運(yùn)輸巷巷道圍巖表面位移、深部位移、錨索荷載及巷道深部圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。結(jié)果表明：新支護(hù)頂板下沉量和兩幫移近量比原設(shè)計(jì)支護(hù)方式分別降低了38%、48%，新支護(hù)下巷道圍巖控制效果更好。同時(shí)，頂板形成厚層錨固結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力的連續(xù)傳遞，作用到幫部的支承壓力明顯降低，幫部變形也得到明顯緩解。

6 結(jié)語(yǔ)

基于高預(yù)緊低密度支護(hù)技術(shù)與掘錨護(hù)一體機(jī)的應(yīng)用，形成了賀西煤礦巷道頂板掘錨一體協(xié)同控制技術(shù)體系，以單一錨索支護(hù)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制，提高了單根支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)降低了支護(hù)密度，提高了支護(hù)能，在顯著提高支護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，將巷道掘進(jìn)速度提高至每月610 m。巷道掘進(jìn)、回采期間礦壓觀測(cè)表明，該技術(shù)體系對(duì)巷道圍巖的控制效果良好，為企業(yè)產(chǎn)生了較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。