劉 偉
(山西焦煤汾西礦業中興煤業公司, 山西 交城 030500)
復合頂板巷道掘進時,受到圍巖控制難度高、頂板力學性質差以及破碎等問題影響,巷道支護耗時較長,在一定程度上制約了巷道掘進效率[1-3]。同時由于煤礦巷道掘進技術在一定程度上制約開采技術,煤炭高強度開采后導致采掘失穩問題較為突出。實現復合頂板巷道快速掘進,對提升煤炭生產效率有顯著促進意義[4-5]。山西某礦7704 運輸巷頂板為典型的復合頂板,圍巖采用高密度錨桿索支護,支護時間占整個掘進時間的1/2 以上,導致巷道掘進效率偏低。以7704運輸巷掘進為工程背景,結合現場地質條件、掘進及支護工藝,對制約巷道掘進效率的因素進行歸納分析,并針對性提出快速掘進技術,實現復合頂板巷道快速掘進。
山西某礦核定產能為450 萬t/a,批準開采煤層包括2 號、3 號、7 號、11 號及13 號等,井田開采范圍內地質構造不發育,煤層賦存穩定。7704 綜采工作面設計推進長度為2 650 m,受區域斷層構造影響,采面切眼有120 m、180 m、220 m 等規格,具體采面布置如圖1 所示。7704 運輸巷設計掘進長度2 660 m,沿著開采的7 號煤層底板掘進,煤層厚度3.2 m,賦存較為穩定,煤層頂板巖性以砂質泥巖、碳質泥巖及砂巖等為主,為承載能力及穩定性相對較差的復合頂板。
圖1 7704 綜采工作面位置示意圖
7704 運輸巷凈寬×凈高=4 800 mm×3 200 mm,設計采用錨網索支護圍巖,具體支護斷面如圖2 所示。頂板用規格Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿(布置間排距840 mm、900 mm)、規格Φ17.8 mm×7 200 mm錨索(布置間排距為2 520 mm、2 700 mm),并配合菱形金屬網護頂。巷幫用規格Φ20 mm×2 000 mm(間排距900 mm、900 mm)支護,在采面幫采用高分子網護表,在煤柱幫使用菱形金屬網護表。
圖2 運輸巷原支護斷面(單位:mm)
巷道所在區域內地質條件決定掘進、支護等難易程度,當巷道掘進遇到斷層、煤相變化或者夾矸等情況時會進一步影響巷道掘進。7704 運輸巷沿著7 號煤層底板掘進,煤層頂板為復合頂板,影響支護強度及支護耗時;7 號煤層內有1~3 層夾矸,夾矸層厚度合計為0.1~0.25 m,對掘進有一定影響。
7704 運輸巷采用EBZ-160 型掘進機破煤巖并配合單體錨桿鉆機支護,掘進與支護作業交替進行。EBZ-160 掘進機掘進單個排距后采用臨時支護設備護頂,錨桿鉆機開始鉆進錨桿(索)鉆孔并進行永久支護;支護完成后進行下一循環掘進及支護。巷道掘進涉及多個環節,各環節間相互高效配合是實現高效掘進的前提。7704 運輸巷巷道頂板采用4 根長度2 m錨桿、2 根長度7.2 m 錨索,巷幫布置8 根長度2 m 錨桿,根據錨桿、錨索布置間排距計算得到每米巷道需要鉆進32 m 錨桿(索)鉆孔,鉆孔深度越深則鉆進耗時越長,同時巷道整個斷面錨桿(索)鉆孔鉆進工程量偏高,導致支護耗時偏長,降低了掘進效率。
7704 運輸巷采用“三八制”,采用掘一錨一方式,在現有掘進及支護方式下巷道掘進進尺平均為260m/月,無法滿足采面煤炭高效回采需要。
為提高巷道掘進效率,依據7704 運輸巷現場地質條件,提出采用柔性錨桿對巷道頂板進行支護,具體支護參數為:巷道頂板采用4 根規格MSGR-1860/18 型柔性錨桿(Φ17.8 mm×4 080 mm),按照1 400 mm、1 200 mm間排距布置。柔性錨桿采用2 支型號CK2360 樹脂錨固劑錨固,確保錨固力在150 kN以上,托盤為規格300 mm×300 mm×10 mm 鋼托盤,配合采用W 鋼帶、金屬網強化頂板支護;頂板用柔性錨桿,外露長度控制在250 mm 以內,錨桿支護后施加250 N·m 以上扭矩。頂板用金屬網的網孔規格為50 mm×50 mm,長、寬分別為3 500 mm、1 300 mm。
巷道兩幫采用4 根規格均為Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿支護,按照900 mm、1 200 mm 間排距布置;巷幫錨桿錨固用1 支CK2360 樹脂錨固劑錨固,確保錨固力在50kN以上,使用的托盤為規格150mm×150 mm×10 mm 拱形鋼托盤;錨桿外露長度控制在50 mm 以內,錨桿布置完成后施加150 N·m 扭矩。采面幫、煤柱幫分別采用高分子網、菱形金屬網護表。具體巷道優化后巷道支護斷面如圖3 所示。通過對巷道支護參數進行優化,達到減少圍巖支護耗時目的。
圖3 優化后支護斷面(單位:mm)
在7704 運輸巷掘進時采用“大- 小”循環施工工藝,在巷道迎頭安全情況下,使得迎頭人員組織最優、工程量最小??紤]運輸巷采用綜掘機配合錨桿鉆機掘進,具體多工序平行作業方式為:
小循環:每個小班完成多個小循環施工,小循環涉及割煤,運輸,鋪設支護金屬網、頂部柔性錨桿以及巷幫錨桿等,其中割煤、支護工作順序開展。
小循環實施工藝如下:
1)割煤。綜掘機完成第一次割煤,割煤寬度、深度分別為3.2 m、1.2 m;綜掘機向后移機,并將截割頭布置在迎頭煤壁位置;綜掘機進行第二次割煤,割煤寬度、深度分別為1.6 m、1.2 m。具體綜掘機割煤工藝如圖4 所示。
圖4 綜掘機割煤工藝(單位:mm)
2)頂板及巷幫支護。綜掘機完成第二次割煤后移1.2 m,截割頭落地,開始對頂板及巷幫進行支護。支護開始時先支護頂板柔性錨桿以及兩幫靠近頂板錨桿,其余巷幫錨桿滯后頂板柔性錨桿2 排布置,使得迎頭頂部錨桿與滯后的巷幫錨桿可平行工作。
3)重復上述割煤、移機以及圍巖支護過程,完成小循環掘進。大循環:清底、掃尾、延長輸送皮帶以及風水管路,依據礦壓顯現特征、圍巖巖性等完成局部巷道補強支護工作。
在7704 運輸巷采用快速掘進工藝后,巷道掘進效率顯著提升,圍巖支護耗時有所降低,根據現場監測發現巷道掘進月進尺平均為389 m,綜合掘進速度提升53.5%,實現了復合頂板巷道快速掘進。
對圍巖支護參數優化后,布置測點監測圍巖變形,具體結果如圖5 所示。從圖5 中看出,采用優化后的圍巖支護參數,隨著與掘進迎頭距離增加(掘進時間增加),巷道頂板、兩幫收斂量均呈現集聚增加- 平穩趨勢,在距離掘進迎頭80 m 以后圍巖變形基本不再增加,其中兩幫、頂板最大變形量分別為24mm、19mm,表明采用的支護方案可實現圍巖有效控制。具體巷道現場支護情況如圖6 所示。
圖5 圍巖變形監測曲線
圖6 巷道現場
根據7704 運輸巷現場地質條件、掘進及圍巖支護工藝等,對制約巷道快速掘進因素進行分析,發現圍巖支護耗時長、地質條件差、掘進各工序配合有待優化等是導致掘進效率較低的主要原因。提出將柔性錨桿應用到7704 運輸巷支護中,替代錨桿+錨索方式對復合頂板進行支護,以便達到提高支護效率、降低支護耗時目的;對掘進工藝優化,小循環、大循環部分工序平行作業,提升掘進效率?,F場應用后,巷道掘進月進尺提升至389 m,同時巷道圍巖變形穩定,實現了復合頂板巷道快速掘進。