高应力岩巷综掘施工围岩支护控制技术研究.pdf

高应力岩巷综掘施工围岩支护控制技术研究李秋礼，周琼阳（河南能源永煤集团顺和煤矿,河南商丘4 7 6 6 0 0)摘要：矿井巷道存在深井高应力现象，科学合理的支护是保障矿井生产安全高效的关键。随着岩巷EBZ-318（H）综掘施工工艺的推广,掘巷初期对围岩的扰动小、破坏小,岩石承载巷道上方覆岩的能力强，主动开展岩巷综掘工艺巷道支护控制技术的研究，实现支护安全可靠、科学合理的目标，为类似条件下岩巷的安全快速掘进和支护施工提供经验。关键词：高应力岩巷;岩巷综掘;支护控制;安全快速掘进中图分类号：F406.3;TD82-9文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 15 5(2 0 2 3)10-0 0 4 3-0 3矿井采掘接替平稳有序，是煤矿高效发展的根本保障和安全生产的最基本要求。调查研究发现，在实际生产过程中，相当数量的矿井面临采掘接替失调或部分失调风险。受矿井发展布局不协调、施工单进水平低下、瓦斯灾害治理工程量大等现实因素的影响，采掘接替失调现象在煤与瓦斯突出矿井日益严重,岩巷工程成为制约矿井发展与安全的关键瓶颈 。浅中部煤炭资源开采尽，煤炭企业向深井发展成为主要趋势，深部复杂地质条件给巷道掘进与支护带来了巨大挑战，掘进水平成为制约煤炭安全高效开采的主要因素。掘进水平和巷道支护速度不能满足综采推进的要求,成为造成采掘接续紧张的主要原因之一。大量科研人员深入研发巷道掘进技术设备，我国掘进设备开始加速发展，综合机械化掘进技术成为实现煤矿安全快速掘进巷道的主要途径2 。1工程概况对永夏矿区某煤矿2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷工程采用岩巷综掘施工工艺进行分析和相应研究，优化巷道设计及生产系统布局，合理选取巷道断面、确定巷道坡度等施工参数，科学合理地引人岩巷新型装备并应用，通过优化装备的截割路线、施工层位、支护参数、粉尘控制及施工组织等，实现高效的生产掘进。在施工期间，总结施工经验，开展施工适应性创新和改造，形成适应该矿岩巷综掘安全高效快速掘进施工的整套技术成果方案。该矿井2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷位于2 4 采区2 4 0 2工作面底板，北接2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷联巷及2 4 0 2胶带顺槽底抽巷回风联巷，南接2 4 0 2 切眼底抽巷，东为2 4 0 2 工作面实体煤，西为DF4断层（落差0 2 5 m）保护煤柱。主要用于2 4 0 2 胶带顺槽和2 4 0 2 工作面的瓦斯治理，同时兼任2 4 0 2 工作面底板承压水害治理、采煤工作面“Y”型通风。巷道布置的详细情况见2 4 0 2胶带顺槽底抽巷平面布置示意图（图1）。2402胶带顺槽底抽巷保护煤柱.DF.H-0-25m268运输巷图12 4 0 2 胶带顺槽底抽巷平面布置示意图根据临近已掘巷道地质状况及2 4 0 2 工作面地层地质资料,2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷主要布置在二叠系山西组二2 煤层底板12 2 5 m范围的粉砂岩、砂质泥岩地层。根据地勘资料提供的岩石物理力学试验，粉砂岩硬度系数f=56,抗压强度平均为5 6.3MPa;中粒砂岩硬度系数f=79,抗压强度平均为9 0 MPa。该矿设计的岩巷底抽巷层位为二，煤层底板下约17 m，岩性主要为细砂岩和粉砂岩,岩石最大硬度系数f=8,岩石最大单轴抗压强度为8 0 MPa。2实施方案2.1巷道断面支护设计2402胶带顺槽底抽巷主体断面为直墙半圆拱型，毛宽=4 6 0 0 mm，毛高=38 0 0 mm，净宽=4 4 0 0 mm，净高=3700mm，墙高=15 0 0 mm,拱高2 2 0 0 mm,S掘=15.2 m，S净=14.2 m。正常支护：22mm2400mm高强锚杆+M钢带+钢筋网；加强支护：布置3排点锚索，锚索型号均为 21.6mmx7300mm。支护参数见2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷设计断面支护图(图2)。43工作面切眼底抽巷保护煤柱单位：mm锚索 2 1.6 x7300mm间排距15 0 0 2 5 5 0 mm高强锚杆（HRB500)222400mm0S8豆图2 2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷设计断面支护图2.2设备选型分析设备性能。EBZ-318（H)悬臂式掘进机主机长14.8m，宽2.9 m，机身高度2.2 2 m，总重量为12 0 t左右，适用于煤巷、半煤岩巷的巷道掘进，能实现连续切割、装载、运输作业。最大截割高度为5.4 6 m，截割宽度为6.8m,最大定位截割断面可达38 m，截割硬度不大于130MPa，爬坡能力18。由114 0 V交流电源提供动力，截割部电动机额定功率为318 kW3-4岩性调查。岩巷综掘能否推行，和施工巷道的岩石性质直接相关，EBZ-318（H)岩巷掘进机截割采用截齿镐击摩擦碎石，正常的截割岩石强度系数f9。根据临近已掘2 4 0 4 胶带顺槽底抽巷的地质状况及2402工作面综合地质信息，矿井西翼二2 煤层底板下1215m位置主要为粉砂岩、细粒砂岩（现场取芯测定，岩石硬度系数f=912）,15 17 m 位置主要为细砂岩（现场取芯测定，岩石硬度系数f=8），细砂岩下方17 19 m位置主要为粉砂岩和砂质泥岩（现场取芯，测定岩石硬度系数f=68）。经岩性调查分析，EBZ-318(H)悬臂式掘进机满足矿井生产施工需求5 。2.3巷道层位控制选取软岩掘进。结合2 4 0 2 工作面地质条件及岩性调查情况,2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷的层位主要控制在二，煤层间距15 2 0 m范围内。掘进施工期间巷道顶板为细砂岩，有利于巷道支护；巷道断面主要为细砂岩、砂质泥岩（泥岩），适合岩巷掘进机综掘施工。选取标志层。在岩巷综掘施工过程中，结合瓦斯地质超前钻探资料及揭露情况，选取二，煤层下且与二2 煤层间距较为稳定的二，煤线（厚度10 8 0 mm）作为巷道掘进的标志层，用以辅助控制巷道层位。动态微调整。在岩巷综掘施工过程中,坚持每天收集巷道迎头岩石性质和班组进尺组织情况、截割时间、截齿消耗情况，通过岩石性质分析及时调整和优化层位，确保层位始终处于适合综掘截割位置，提高岩44巷综掘施工效率。2.4巷道支护优化在岩巷综掘施工过程中，锚网支护时间约占每循15001500425425850抽放管风筒巷道中心线4400850电缆注浆管风水管0S8环作业总时间的4 0%。施工现场锚网支护作业效率成为制约整体岩巷综掘施工工艺效率的关键。为了提高支护效率，采取不断优化巷道支护形式的措施，在保证安全的前提下扩大循环单进和顶板控顶距离等。在执行上，采取岩土工程理论验算、现场调查研究、工程00ST类比和经验参照等方法，科学选取安全系数，确保实现优化支护后的巷道支护安全，杜绝因支护优化造成顶板支撑强度弱化诱发顶板事故风险。2.4.1顶板预留坚硬岩层岩巷综掘施工工艺对岩石层理的扰动破坏较小，截割施工过后能够及时进行锚网支护，对巷道顶板岩石起到阻挠作用，抑制了巷道顶板的离散松动。在利用EBZ-318（H)掘进机进行截割施工期间，通过优化调整施工层位,在巷道顶板预留1 1.5 m较坚硬的粉砂岩，实现坚硬岩层对巷道顶板的支撑稳定作用，进一步增强了支护效果。2.4.2动态优化支护参数合理的支护是提高施工效率经济性的前提，为避免过度支护对支护材料和施工成本造成浪费，应由生产技术部门牵头，根据巷道实际施工情况和收集的巷压显现数据，对巷道原设计的支护方式开展“动态优化 试验和支护分析，确保支护安全。支护优化试验：锚杆型号优化为20mm2200mm（H R B5 0 0）高强锚杆，间排距为9 0 0 mm900mm（排距最大不超过9 5 0 mm）。锚索调整为3排21.6mm7300mm点锚索支护，锚索间排距为15 0 0 mmx2700mm。支护优化试验：巷道帮部锚杆型号优化为20mm1600mm（H R B5 0 0）高强锚杆，间排距为900mm900mm（排距最大不超过9 5 0 mm），锚索调整为3排21.6mm5300mm点锚索支护。支护优化试验：巷道顶板锚索调整布置方式，由“三三三 布置调整为“一二一二”布置方式,d21.6mmx5300mm点锚索支护，即第一排顶板中间打注1根锚索，第二排两肩窝打注2 根锚索，间隔交叉布置，间排距为12 0 0 mm2700mm。2.4.3顶板支护安全验证为保障顶板支护安全，矿井制订专项安全措施，强化巷道十字位移”的测点布置。在布点方面，每10 m布置巷道观测站，每班开展巷道巡查和位移情况的观测收集。在安全保障方面，在施工现场备用加强支护的物资材料，确保巷道存在冒落风险时能第一时间加固。试验期间加强对迎头地质构造信息的收集，对地效益。质构造带、岩石破碎区、巷道顶板下沉和底板鼓起明显处，及时恢复设计支护强度，保证施工的安全可靠。对观测数据分析可知（见图3），岩巷炮掘工艺造成了巷道围岩松动圈的震裂破坏，巷道30 d、9 0 d 位移观测移近量相比综掘工艺要大（观测点a）；岩巷EBZ-318（H)综掘施工巷道，顶板、底板移近不明显，巷道掘进后较快进人稳定期（观测点b）；开展支护试验后，巷道在无构造影响的情况下，岩石松散离层变化不明显，处于巷道的正常离层控制范围（观测点ce），低于炮掘工艺围岩位移变形数值，岩石在整体上起到了较好的支撑稳定作用；在岩巷综掘施工过程中，遇到构造地带及时采取加固措施后，巷道趋于稳定，变形量处在安全可控的范围（观测点f）。二原板下沉景30一底板效起最一一左新缩进量25一右瓶缩进量1050a岩巷炮掘观测点（a）一顶板下沉景18+一底板效起量一左新缩进量15+有播缩进量1200c.EBZ-318综掘观测点（c）30预板下沉象25一底板数起量+一左新编进景石酱编进最20020c.EBZ-318综掘观测点（e）图3炮掘、综掘不同掘进工艺巷道位移测折线对比图3实施效果在2 4 0 2 胶带顺槽底抽巷建立巷道围岩综合观测点，对巷道表面位移、顶板离层、锚杆受力进行周期性数据监测，检测巷道支护参数的可靠性和合理性。通过观测数据，开展合理的支护优化，保障了支护安全，节约了支护成本和支护作业时间。通过对岩巷综掘施工巷道围岩的变形观测，巷道围岩变形观测数据普遍较小，顶板离层不明显，顶板离层的最大值为9 0 mm，为支护优化试验创造了条件。通过优化支护参数，逐步开展试验和数据分析，保证了巷道支护安全。通过对巷道顶板离层和断面收缩变形的观察，巷道支护后离层变形不明显，能较好地满足巷道的正常使用要求。矿井采用EBZ-318（H)岩巷掘进机，巷道的掘进速度由原来的月实巷进尺7 0 m左右，提高至平均月实巷进尺15 5.6 m左右，掘进速度提高明显，为矿井的安全平稳接替和灾害的超前治理夯实了基础。结合矿井的实际生产地质状况，合理开展高应力岩巷综掘施工围岩支护控制技术研究，提高了掘进速度,降低了劳动强度,取得了良好的安全效果和经济一顶依下沉量16一能依效起最一左帮缩进量右帮缩进量1202040观测天数/d120406080观测天数406080100观测天数d4结语在岩巷综掘施工方面，立足井下生产实际，积极探索EBZ-318（H)岩巷高效综掘施工技术，主动开展高608010010020b.EBZ-318综掘观测点（b）+一预版下汉量20一比板数起量一左新缩进量+一右轿缩进量151050d.EBZ-318综掘观测点（d）50+顶板下筑量+一庆板效起量一左帮缩进量40一一右播编进量。3020100f.EBZ-318综掘观测点（f)40观测天数d2040观测天数/20406080观测天数d60608080100100100应力岩巷综掘施工状况下的围岩支护控制研究，切实解决了制约单进效率的难题,既保证了安全生产，又节约了支护成本、降低了劳动强度、提高了综掘施工效率，为矿井创造了良好的经济和社会效益，为类似矿井实施岩巷安全高效掘进施工提供了经验。参考文献：1张献波.EBZ-260综掘机在大断面岩巷掘进中的应用J.煤炭与化工,2 0 2 2,4 5（0 3）：35-37.2周琼阳.岩巷综掘工艺支护优化技术研究J.内蒙古煤炭经济,2 0 2 0(11):5-8.3王小龙.EBZ160M-2掘锚一体机在长平矿的应用J.煤矿机械,2 0 2 0,4 1(0 8）:15 0-15 3.4张洪涛.EBZ160型煤矿掘进机掘锚护探一体化改造研究J.机电工程技术,2 0 2 0,4 9（0 7）：2 4 2-2 4 3.5任华岗.掘锚一体机在特厚煤层大断面回采巷道支护中的应用J.中国石油和化工标准与质量，2 0 2 0,4 0(17):255-256.作者简介：李秋礼（19 7 5），男，河南夏邑县人，本科，工程师，从事煤矿采掘生产和技术管理工作。45