胡建勇

(同煤集團(tuán)永煤公司， 山西 大同 037000)

1 前言

掘進(jìn)工程是煤礦井下重要的施工任務(wù)之一，煤礦掘進(jìn)進(jìn)尺速度可用來(lái)評(píng)價(jià)該礦的生產(chǎn)先進(jìn)性，由此可見(jiàn)巷道掘進(jìn)工程對(duì)煤礦生產(chǎn)具有極為重要的影響[1-3]。而掘進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)遇到不良地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、陷落柱、受地層運(yùn)動(dòng)擠壓的破碎區(qū)等，這些不良地質(zhì)構(gòu)造給掘進(jìn)施工帶來(lái)一定的安全隱患。因此，掘進(jìn)巷道遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)應(yīng)采取專門的施工及安全措施以保證掘進(jìn)工作面安全高效的通過(guò)圍巖破碎帶[4-5]。

2 工程概況

本施工巷道為山4#層盤區(qū)8104工作面2104巷，屬于半煤巖巷道，為8104工作面皮帶巷，2104巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為675.5m，工程量為7 376.46m3；服務(wù)期限預(yù)計(jì)為1年，通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)，2104巷預(yù)計(jì)掘至開口位置20m到達(dá)向斜核部，在延掘至該區(qū)域過(guò)程中，地層受擠壓作用，頂板較破碎，應(yīng)加強(qiáng)頂板支護(hù)。

根據(jù)提供地質(zhì)資料情況顯示該地段內(nèi)煤層預(yù)計(jì)厚度為1.76～2.6m，頂板普氏巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=4。巷道煤層變化情況預(yù)測(cè)：煤層發(fā)育1層夾矸，厚度最大為0.4m，巖性主要為高嶺巖、泥巖，具體頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

根據(jù)巷道附近鉆孔資料及已掘巷道揭露資料分析，工作面整體呈向斜構(gòu)造，走向大致為57°(237°)，巷道應(yīng)先以仰角斜向上掘進(jìn)，后仰角斜向上掘進(jìn)，核部分別位于距2104巷開口位置20m處，經(jīng)計(jì)算該向斜的翼間角約為175°，屬于平緩褶皺，向斜左翼煤層傾角為2°15′～4°30′，傾向?yàn)?19°～131°；向斜右翼煤層傾角為2°9′～10°18′，傾向?yàn)?12°。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

3 巷道掘進(jìn)

3.1 巷道布置

2104巷施工時(shí)由北盤區(qū)軌道巷設(shè)計(jì)位置開口，2104巷與北盤區(qū)軌道巷平行布置，凈煤墻為12m，沿山4#層煤層穩(wěn)定頂板向前施工。

3.2 巷道凈斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，巷道斷面參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巷道斷面技術(shù)參數(shù)表

3.3 巷道施工方法

2104巷施工時(shí)由北盤區(qū)軌道巷設(shè)計(jì)位置開口，施工一條聯(lián)絡(luò)巷，然后垂直聯(lián)絡(luò)巷右拐向前施工2104巷，預(yù)計(jì)與盤區(qū)軌道貫通且與2111巷中線一致，再向切巷方向施工，當(dāng)煤層厚度小于1.7m，連續(xù)長(zhǎng)度超過(guò)20m或傾角大于12°時(shí)，停止掘進(jìn)，開始施工切巷；巷道施工采用爆破方式掘進(jìn)，耙?guī)r機(jī)一體化裝載工序，配合SJ- 800型、DSP- 800型帶式輸送機(jī)完成施工作業(yè)；巷道掘進(jìn)期間遇頂板破碎帶及前后5m范圍時(shí)，都要加大支護(hù)密度并及時(shí)掛頂網(wǎng)和護(hù)幫網(wǎng)。

3.3.1 巷道開口施工方法

巷道開口采用小茬進(jìn)度，分次爆破的方法進(jìn)行施工，支護(hù)形式采用滑移式前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，錨桿、錨索作為永久支護(hù)，并將永久支護(hù)緊跟工作面。在巷道開口與盤區(qū)軌道巷交叉口頂板處至少打一架錨索鋼梁(鋼梁規(guī)格為長(zhǎng)3.6m的11#工字鋼梁，鋼梁兩眼間距為2m，錨索長(zhǎng)度為4m)吊掛鎖口，以加強(qiáng)頂板控制。巷道開口爆破前，必須將開口附近20m范圍內(nèi)的各種管線和設(shè)備用廢舊皮帶等材料護(hù)住，以防開口時(shí)被破壞。

3.3.2 爆破鑿巖

1)鉆眼

鉆眼時(shí)，要隨時(shí)觀察鉆進(jìn)方向，掌握好炮眼角度和深度。打完眼后，必須用吹眼管清除眼內(nèi)巖漿，人員要避開直線噴射方向。吹完眼后必須將風(fēng)水管路閘門關(guān)閉，將鉆具和風(fēng)水膠管，撤到安全地點(diǎn)或躲避硐室內(nèi)盤放。打眼前要詳細(xì)檢查工作面，不準(zhǔn)有傘檐、馬棚、浮石、聾煤，等支護(hù)到了工作面，才可打眼作業(yè)，打眼前必須認(rèn)真檢查巷道中線，并找出巷道輪廓線，畫眼定位。

2)耙裝

首先打錨樁孔用來(lái)固定耙斗鋼絲繩滑輪，確保錨樁孔深長(zhǎng)度不得小于錨樁桿長(zhǎng)度，安排一人進(jìn)工作面固定好耙斗鋼絲繩滑輪后，確保無(wú)誤后發(fā)出信號(hào)才可啟動(dòng)耙?guī)r機(jī)進(jìn)行耙渣，在耙渣的過(guò)程中注意工作面人發(fā)出的信號(hào)來(lái)操作耙?guī)r機(jī)。

3.3.3 裝載與運(yùn)輸方式

爆破落煤后，由30kW耙煤機(jī)耙出至巷內(nèi)DSP800型皮帶輸送機(jī)，再經(jīng)山4#層皮帶大巷運(yùn)至盤區(qū)溜煤眼，耙煤機(jī)裝不凈的浮煤由人工清掃，經(jīng)巷道內(nèi)800型皮帶運(yùn)出，保證巷道見(jiàn)幫見(jiàn)底不留浮煤。若巷內(nèi)有夾石、漏頂或起底矸石等，應(yīng)將矸石分裝礦車出井，嚴(yán)禁煤矸混運(yùn)。

4 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

由于掘進(jìn)工作面頂板較為破碎，山4#層北部盤區(qū)2104巷選用φ18mm×1 800mm的螺紋鋼錨桿和φ15.24mm×4 000mm的錨索聯(lián)合支護(hù)。

1)頂錨桿長(zhǎng)度

頂錨桿長(zhǎng)度L為

L=L1+L2+L3

(1)

式中：L——錨桿長(zhǎng)度，m；

L1——錨桿外露長(zhǎng)度；

L2——潛在冒落拱高度；

L3——錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度。

L=L1+L2+L3=0.05+0.525+1.09=1.665m<1.8m

通過(guò)上述公式計(jì)算，選取長(zhǎng)度為1.8m的頂錨桿比較合理。

2)頂錨桿直徑

錨桿直徑d為

Q=πσtd2/4

(2)

式中：σt——桿體抗拉強(qiáng)度，取490MPa；

Q——錨桿錨固力，取80kN；

d——錨桿直徑。

計(jì)算得出d≈0.015m，考慮到巷道過(guò)褶曲，頂板破碎，頂錨桿直徑取值為0.018m。

3)頂錨桿間、排距計(jì)算

錨桿間距為

(3)

式中：a——錨桿間距，m；

k——安全系數(shù)；

γ——巖體重力密度，取24kN/m3；

L2——錨桿有效長(zhǎng)度，取1.75m。

根據(jù)驗(yàn)算錨桿間排距取值不大于1.03m即可，故巷道錨桿間排距取1m×0.9m，可滿足支護(hù)要求。

4)錨桿錨固形式

頂錨桿采用快速樹脂藥與中速樹脂藥配合進(jìn)行錨固，上藥順序：先上一卷K- 2335樹脂藥，再上一卷Z- 2360樹脂藥。

頂錨桿錨固長(zhǎng)度為

(4)

式中：L——錨固長(zhǎng)度，mm；

L1——樹脂藥長(zhǎng)度，取950mm；

R——鉆孔半徑，取14mm；

R1——樹脂藥半徑，取11.5mm；

R2——錨桿半徑，取9mm。

計(jì)算得出，錨桿錨固長(zhǎng)度為1.09m。

綜上錨桿支護(hù)采用φ18mm×1 800mm的螺紋鋼錨桿，間排距取1m×0.9m，錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.09m。

4.2 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

由于2104巷掘進(jìn)過(guò)褶曲時(shí)頂板破碎，裂隙發(fā)育，為了提高巷道頂板支護(hù)可靠性，采用懸吊理論對(duì)錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)錨索長(zhǎng)度的確定

L=L1+L2+L3+∑h

(5)

式中：L——錨索總長(zhǎng)度，m；

L1——錨索外露長(zhǎng)度，取0.25m；

∑h——需要錨固的不穩(wěn)定巖層厚度，取2m；

L2——錨索伸入穩(wěn)定巖層長(zhǎng)度，取1.5m；

L3——錨索托板厚度，取0.016m。

計(jì)算得出L=0.25+2+1.5+0.016=3.766m

結(jié)合施工巷道頂板巖性及煤層厚度，確定錨索長(zhǎng)度為4.0m，φ15.24mm。

2)錨索間排距的確定

L=nF2/[BHγ-(2F1sinθ)/L1]

(6)

式中：L——錨索間距，m；

n——排數(shù)，取2；

F2——極限承載力，取260kN；

B——巷道最大垮落寬度，取4.2m；

H——巷道最大垮落高度，取2.63m；

γ——巖體重力密度，取24kN/m3；

F1——錨桿錨固力，取80kN；

θ——錨桿與巷道頂板的最小夾角，取75°；

L1——錨桿排距，取0.9m。

L=2×260/[4.2×2.63×24-(2×80×sin75°)/0.9]=2×260/(263-171)=5.6m

故巷道錨索布置為2排錨索間距2.7m滿足支護(hù)要求。

綜上，錨索支護(hù)采用φ15.24mm長(zhǎng)度為4.0m的錨索，頂板布置布置2排錨索，錨索間距取2.7m。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，具體可以根據(jù)頂板巖性，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.3 巷道護(hù)幫

2104巷在施工遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，巷道兩側(cè)護(hù)幫采用φ18mm×1800mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨栓配合規(guī)格450mm×280mm×4mm的短節(jié)鋼帶及3 700mm×1 700mm的金屬菱形網(wǎng)，護(hù)幫要求兩幫完整情況下滯后工作面一耙的距離。

5 掘進(jìn)及支護(hù)效果

在2104巷掘進(jìn)遇地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，采用設(shè)計(jì)的掘進(jìn)及支護(hù)方案，確保了巷道掘進(jìn)以及使用安全。在頂板較為破碎區(qū)域，進(jìn)行了額外的頂板以及巷幫噴漿。巷道掘進(jìn)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)每天保持5m掘進(jìn)進(jìn)度，經(jīng)過(guò)10d掘進(jìn)，巷道順利通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶。

采用十字測(cè)量法對(duì)巷圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道掘進(jìn)后，采用的支護(hù)措施有效的控制圍巖變形，頂板及底板的最大變形量值控制在141mm以內(nèi)，巷幫的變形量值控制在38mm以內(nèi)，由于底板未采取相應(yīng)的支護(hù)措施，導(dǎo)致底板出現(xiàn)一定程度的底鼓(底鼓量98mm)，但是對(duì)巷道的正?；静粯?gòu)成影響。具體的圍巖變形量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 圍巖變形量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

(1)根據(jù)2104巷掘進(jìn)過(guò)程中遭遇向斜核部，在延掘至該區(qū)域過(guò)程中，地層受擠壓作用，頂板比較破碎的情況，提出了相應(yīng)的施工措施包括施工方法、巷道開口方法等。

(2)為保證頂板的穩(wěn)定，提出采用錨桿加錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，設(shè)計(jì)了錨桿錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距等支護(hù)參數(shù)。