復雜地質條件巷道安全掘進技術研究

2022-08-31 07:32:10吳雪峰

煤 2022年9期

吳雪峰

(臨汾宏大錦程煤業，山西臨汾 041000)

隨著我國“雙碳”戰略的實施，對煤炭資源安全高效開采的技術要求越來越高，對生產過程中各項流程的控制越來越嚴格。巷道掘進作為工作面布置的重要基礎工序，受到斷層、老空區、陷落柱等不同復雜地質條件影響的程度越來越大，有時更需要花費巨資進行后期維護，給礦井正常生產帶來了不可估量的損失。針對復雜地質條件下工作面巷道安全掘進技術，國內外學者均進行了大量且有益地探索，逐步形成了一套體系完備、行之有效的控制方法。

1 工程地質條件

宏大錦程煤業51010掘進工作面擔負二采區81010工作面的行人、運料、回風等任務，巷道主要布置在10號煤層，地面標高1 220～1 375 m，施工標高為1 144～1 204 m.10號煤層平均傾角為4°，平均煤厚為4.3 m.底板為2.37～5.8 m厚的鋁土質泥巖，巖性較硬，吸水性、可塑性中等；直接頂為0.2 m厚的灰質泥巖，巖性較軟；老頂為3.09～10.55 m厚的中厚層狀石灰巖，深灰色生物碎屑灰巖、堅硬，穩固性好。

51010掘進面設計長610 m，沿煤層底板掘進，巷道斷面形狀為矩形，長×寬=3.5 m×2.8 m，工作面無瓦斯突出傾向。綜合考慮礦井整體地質條件勘測結果，在51010工作面掘進時，前方可能存在原馬峪礦老舊巷道，同時工作面頂板巖層節理發育，都對掘進工作造成了不利影響。因此，探究復雜地質條件下51010工作面安全高效掘進技術，對礦井整體正常生產具有重要意義。

2 復雜地質條件巷道掘進難點分析

1) 地質構造問題。巷道實際掘進過程中，可能會遇到非常多的地質構造影響，比如斷層、陷落柱等，還有可能受到老舊巷道影響，這些構造在一定程度上會造成頂底板圍巖性質產生變化，帶來巖層松散、脫落等影響。這些復雜的地質結構影響了巷道掘進的進度，帶來了巷道圍巖應力的變化，導致需要對掘進過復雜地質構造時重新進行應力評估。另外，復雜的地質構造還對巷道服務期間的穩定性提出了更高的要求，從這方面來看，復雜地質構造是影響巷道掘進的最難點之一。

2) 支護方式問題。巷道斷面形成后，采取合適的支護技術保持斷面的長期穩定是決定礦井安全高效生產的重要技術途徑。合適的支護技術又包含主動支護和被動支護，支護技術和支護材料的選擇是影響支護效果的關鍵因素，錨網索、單體支柱、注漿支護等不同形式的選擇應用，超前支護、補強支護等不同支護方法需要根據巷道實際情況進行評估。另外，巷道掘進和支護設備之間還會存在相互影響，這需要結合地質條件綜合評估，確定最合理的支護方案。

3 51010工作面高效掘進技術研究

51010掘進工作面掘進工藝包括安全檢查、超前物探、割煤運煤、臨時支護、永久支護、設備檢修等幾個主要步驟，其中超前物探、巷道支護是決定巷道成巷的關鍵工序。

1) 超前物探技術。51010工作面不存在上方補給水源，但會存在老舊巷道積水的影響，為此超前物探技術主要為確定巷道前方周圍巖體富水性，防止突水透水事故發生。根據掘進工作面實際情況，采用瞬變電磁法進行超前探測，探測范圍采用長短探結合方式，由于巷道所在10號煤層與9號煤層相距較近，鉆孔設計時按照厚煤層規范進行設計。巷道沿10號煤層底板布置，超前鉆探鉆孔為水平面上呈扇形布置3個，向上布置1個探測9號煤層鉆孔，設計鉆孔深度為60 m，超前距離為30 m，允許掘進30 m，根據井下實際情況本次設計鉆探控制幫距取20 m，如圖1所示。

為進一步確保巷道掘進進程，在超前物探結束后，每次進尺之前需要采用“短探短掘”方法對前方10 m距離內地質構造進行進一步確定。如圖2所示，巷道迎頭短探鉆孔共布置4個，孔深為10 m，編號分別為1號～4號，其中1號、3號方位為267°，2號、4號方位為273°，1號、2號相對煤層傾角為14°，3號、4號相對煤層傾角為23°.每次鉆探前必須采用濕式打眼、降塵措施，迎頭10 m范圍內還必須灑水降塵。

2) 巷道支護技術。在巷道開始掘進作業后，隨掘隨支作業同步進行，臨時支護和永久支護分別按照施工要求開展。臨時支護以掘進機機載超前支護為主，當掘進機向前割一個正規循環即至距永久支護1.0 m時，停止掘進，把機組開關打在“閉鎖”位置，將機載超前支護打開升起，同時配備4～6根DW32-25/100液壓單體柱和便攜泵備用。

巷道永久支護采用錨網索支護，支護斷面如圖3所示，具體支護設計如下：頂錨桿采用規格為MG400D20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，每排4根；配套使用110 mm×110 mm×10 mm蝶形托盤帶減磨墊片和球形墊。使用1支CKb2335、1支K2360錨固劑，錨固劑長度不小于900 mm，角錨桿角度75°，幫部錨桿規格為MG400D18 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，每排3根，間排距為1 000 mm×1 000 mm，配套110 mm×110 mm×10 mm蝶形托盤，減磨墊片和球形墊。使用K2360錨固劑1支，錨固劑長度不小于600 mm.錨索采用規格為D17.8 mm×5 700 mm鋼絞線，配套使用250 mm×250 mm×16 mm鋼托盤，使用1支CKb2335和兩支K2360錨固劑，錨固劑長度不小于1 600 mm，保證錨固到K2灰巖不小于1 650 mm.頂網采用8號鉛絲規格為3 700 mm×1 200 mm菱形金屬網；幫網采用8號鉛絲規格為2 200 mm×1 200 mm菱形金屬網，網格50 mm×50 mm.網片搭接長度100 mm，必須使用不低于14號的雙股鉛絲鏈接，鏈接點間距不大于200 mm，要求鏈接牢固，孔孔相連、雙絲雙扣、幫扎牢固，呈兩排“三花”布置，擰結量不得少于3圈。要求網片鋪設平整、緊貼巖面。鋼筋梯子梁：頂部采用規格為D14 mm×3 100 mm×80 mm鋼筋梯子梁,兩幫采用規格為D14 mm×2 100 mm×80 mm鋼筋梯子梁。

圖3 巷道錨網索支護方案(mm)

3) 特殊位置控制技術。巷道掘進過程中，設備硐室和水倉的穩定是巷道掘進的保障，所以需要分別設計支護方案。

絞車硐室規格為寬度3.0 m、深度3.0 m、高度2.4 m.頂錨桿選用D20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，角錨桿與頂板夾角為75°，間排距1 000 mm×1 000 mm，110 mm×110 mm×10 mm蝶形托板，減磨墊及半球墊，使用CKb2335、K2360錨固劑各1根，錨固長度大于900 mm；頂錨索采用D17.8 mm×5 700 mm鋼絞線，在硐室正中布置1根，排距3 000 mm.幫錨桿選用D18 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，120 mm×120 mm×10 mm蝶形托板，減磨墊及半球墊，使用K2360錨固劑1根，錨固長度不小于600 mm.

臨時水倉規格為寬度3.0 m、高度2.4 m、入深4.0 m、臥底深1.5 m.頂板與幫部錨桿尺寸與規格、布置方式同絞車硐室支護參數一致。頂板和兩幫采用8號鉛絲菱形金屬網，規格3 200 mm×1 200 mm，采用4眼梯子梁，規格為3 100 mm×80 mm.

4 掘進工作面實踐效果分析

為進一步確定上述安全高效掘進技術的可靠性，在掘進工作面后方布置測點監測錨桿索受力情況，同時采用“十字布點法”監測巷道表面位移。從表面位移監測結果可知，巷道圍巖兩幫移近趨勢隨著暴露時間增加而逐漸加大，在距離掘進迎頭40 m左右，兩幫移近量達到最大值60 mm；頂板下沉量變化趨勢同兩幫移近量相似，但峰值滯后約30 m，峰值為80 mm，整個過程中，頂板下沉量值均大于兩幫移近量，但巷道圍巖整體位移保持穩定距離較長，不存在變形破壞的現象。從錨桿索受力監測來看，隨著工作面的推進，錨桿阻滯圍巖變形的周期越來越長，但錨桿受力基本穩定在60 kN；圍巖隨著掘進工作不斷收斂，錨索受力逐漸增大，最終穩定在200 kN，這表明錨桿、錨索受力均在額定承載范圍，隨著工作面的推進，錨桿索控制圍巖變形的效果依然效果顯著。

5 結語