王 誠

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 工程背景

某煤礦A工作面煤層結構平均厚度為3.14m，平均傾角為4°，埋深160～390m。該煤層結構比較復雜，勘探發(fā)現存在帶狀、塊狀的煤層，同時還有1～2層泥巖夾矸石。其中上層結構穩(wěn)定性較好，厚度在0.1～0.3m 之間。下層夾矸的穩(wěn)定性比較差，影響總體的開采效果。在該工作面中膠帶巷為主進風巷，斷面結構尺寸為5.5m×3.6m。A 工作面膠帶巷巷道設計3193m，當前已經開采作業(yè)199m，發(fā)現在巷道兩側出現嚴重損壞情況，故而為提升工程穩(wěn)定性，需要加強掘進支護。

2 巷道圍巖變形機理分析

2.1 頂板圍巖結構窺視

工程實踐階段，為了充分地掌握A 膠帶巷圍巖發(fā)生變形的原因，需要分析內部結構組成形式。本工程通過使用鉆孔勘探的方式對于工作面上覆層10m區(qū)間內的巖層展開檢測，從而掌握相關信息，該工程頂板綜合柱狀見圖1。

圖1 頂板綜合柱狀圖

經過分析發(fā)現該鉆孔范圍內的節(jié)理發(fā)育裂隙比較明顯，巖層結構強度和性能比較差。同時經過勘探發(fā)現，巷道頂板巖層結構穩(wěn)定性較差，整體發(fā)育狀態(tài)不佳[1]。

2.2 分析礦井內礦物組分

該工作面兩幫為本煤層，并且有兩層的夾矸，以泥質砂巖的性質為主。在實踐階段通過化學分析方式對巖體結構礦物組分進行確定，測定后發(fā)現其主要的組成成分是蒙脫石、石英、云母、高嶺石等等，此類物質含泥量相對較高，且蒙脫石含量在30%左右，屬于膨脹軟巖的性質。由于在巷道的施工作業(yè)煤層夾矸吸收了環(huán)境中的水分，導致其持續(xù)性的膨脹反應，內部會形成較大的擠壓作用力，造成兩幫煤體結構的強度降低。

2.3 圍巖失穩(wěn)機理分析

對于淺埋煤層結構來說，水平構造力是巷道圍巖承載力的性能。本文選取的A 巷為膠帶巷，斷面寬度5.5m，斷面尺寸比較大。為了檢驗確定圍巖結構的失穩(wěn)與巷道寬度的關系，應用普氏壓力拱理論，結合煤礦的情況構建壓力拱計算模型。在開挖的環(huán)節(jié)，水平構造應力有部分是在巷道頂底板存在的，還有部分為巷道兩幫。在水平應力較高的情況下，巷道頂底板出現剪切損壞的問題，兩幫的結構受到拉伸而損壞，頂底板變形量也會增加，出現巷道兩幫變形嚴重的問題從而造成片幫的問題。A 膠帶巷斷面尺寸為5.5m，比正常的巷道斷面寬度要大，且在水平構造力影響下，斷面的寬度會增大，頂板結構容易產生嚴重的變形問題，最終出現了兩幫煤體承受荷載加大的情況，在該荷載超出了煤體巖層的極限參數后，兩幫巖體會產生破壞變形的問題，也應該是片幫問題。經過上述結論分析，A膠帶巷的頂板圍巖中出現了節(jié)理裂隙變大的情況，存在穩(wěn)定性不足現象，加之巷道斷面尺寸增加，頂板巖層結構變形量升高也會存在兩幫荷載增加的情況，同時在兩幫結構的圍巖膨脹軟化反應，強度性能降低，承載力不達標，進而引發(fā)片幫變形的問題。在本工程中分析發(fā)現膠帶巷圍巖變形問題比較嚴重，所以要加強變形控制提升結構強度[2]。

3 巷道支護方案研究

3.1 現場實踐

經過深入的分析和研究，A 膠帶巷斷面尺寸比較大，在現場支護應該增大錨桿支護的密度，從而使得淺部頂板結構形成穩(wěn)定、可靠的承載性高組合梁形式。同時通過增加錨固作業(yè)范圍寬度提升支護效果。此外，在支護環(huán)通過利用增加補強的錨索支護密度，提升錨索懸吊的效果；對于巷道兩幫而言，應該增加錨桿支護密度，確定圍巖受力在合理的范圍內，使其達到夾矸巖層穩(wěn)定性要求。

該工程優(yōu)化支護方案為：選擇應用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網聯合支護的方式，其中頂、幫錨桿長度從1800mm 增加到2400mm，頂部錨桿布置的間隔距離從1050mm 減小為950mm，幫錨桿間隔距離從1100mm 調整為1000mm，頂板結構設置了W 鋼帶進行聯鎖控制，提高結構的總體性能。表1 為A 巷前后支護方案的對比，優(yōu)化后方案可見圖2。

表1 A巷支護方案優(yōu)化對比

圖2 程優(yōu)化支護方案平面圖（單位：mm）

3.2 支護效果分析

大斷面在最初掘進深度達到199m時，因為頂板發(fā)生錨桿斷裂的問題，且兩幫片幫頂板離層參數為與兩幫變形量出現偏差，故而對圍巖變形進行監(jiān)測，具體優(yōu)化前圍巖變形監(jiān)測圖可見圖3。因為本次巷道的變形問題異常嚴重，在掘進初期就進行支護方案的優(yōu)化改進，發(fā)現在進行優(yōu)化之后掘進的深度在860m 左右[3]優(yōu)化前監(jiān)測圖見圖3。通過支護方案的實施，截至目前在項目的現場實施環(huán)節(jié)，巷道并未出現嚴重的礦壓異常問題，也沒有錨桿斷裂的問題，掘進時單次循環(huán)尺寸為2m，兩幫并未有任何片幫問題，兩幫單日循環(huán)進尺在12m 左右，較之以往施工方式效率提升約30%。優(yōu)化后圍巖變形監(jiān)測見圖4。

圖3 優(yōu)化前圍巖變形監(jiān)測圖

通過優(yōu)化后的圍巖變形監(jiān)測圖分析可了解到，頂板下沉量在61mm左右，兩幫變形最大位置為37mm，巷道圍巖結構處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，總體承載性能較高，完全符合運行標準。

4 煤礦大斷面巷道快速掘進與支護技術

4.1 優(yōu)化運輸工藝

在本次現場施工環(huán)節(jié)隨著施工量不斷地增大，工作人員的體能消耗比較嚴重，現場施工難度也在升高，開采效率不斷地降低。因此，通過對于運輸設備做出改進，減少人員能量損耗，具體可以采取如下的解決方式：①確保開采量以及掘進生產量超過總運輸量，工作現場的運輸速度也會增大以提升掘進祖業(yè)效率。②可以選擇應用膠帶運輸機，在緊急的情況下可以采取合理的應對措施，確保運輸的效果和質量，提高開采量，實現無阻礙的運輸，縮短開采周期，促進產量和效益的提升。

4.2 設備優(yōu)化

經過綜合分析可以發(fā)現，掘進機、錨桿鉆機與運輸機等設備都是掘進環(huán)節(jié)必不可少的。在器材改進的過程要堅持降低成本、方便快捷的原則。

第一，選擇符合掘進需要的器械。巷道掘進前應對現場進行評估、斷面架構以及掘進環(huán)節(jié)的問題分析，制定合理的施工方案，并做出必要的截割處理。在現場施工中如果遇到任何的問題，都要立即做出調整。如果斷面的尺寸比較大巖石硬度較高，可以應用懸臂掘進機施工，很多企業(yè)都會優(yōu)先采用EBZ200懸臂掘進機設備，可以快速地擊碎巖石結構。如果巷道作業(yè)范圍并不大，硬度也不高，可以采用輕型掘進施工，成本較低，現場操作方便，可以長期投入使用[4]。

第二，選擇最佳的錨桿鉆機。在開采環(huán)節(jié)單體錨桿鉆機受到各大企業(yè)的青睞。鉆孔結束后，組織專業(yè)技術人員安裝錨桿結構。很多巷道頂板比較簡陋，循環(huán)掘進速度較慢，所以掘進效率較低。在開采的環(huán)節(jié)可以通過使用現代化的鑿巖車進行施工。隨著液壓鑿巖技術的發(fā)展，使用也更加的廣泛，其效率較高，噪音比較低。在具體掘進階段需要結合實際做好錨桿鉆機的操作控制，要求技術人員按照工藝流程作業(yè)，同時需要加強現場施工管理，提高巷道支護效果，保證系統(tǒng)運行的水平。

4.3 巷道快速掘進管理優(yōu)化

對于巷道掘進管理來說，突出管理效果，促進掘進效率的提升。

第一，及時做出工作時間的調整，采取“三八”或者“四六”的時間分配方式，在交接班的環(huán)節(jié)應保持良好的溝通與交流，加強現場施工的時間管理，保證施工效果得到提升。

第二，結合實際，及時做好技術的改進與完善，在巷道勘測的環(huán)節(jié)器械的準確性往往會影響工作效率，所以要保證設備性能才能提高勘測數據精度。

第三，在巷道快速掘進管理環(huán)節(jié)，需要加強人員培訓。針對不同崗位、不同要求展開培訓，提高人員的專業(yè)技術水平。同時還要抽出時間學習先進知識，實現整體水平的提高，保證掘進作業(yè)順利的完成。

第四，巷道快速掘進管理階段，需要制定獎懲制度。針對表現優(yōu)異的人群要獎勵，表現不足的工作人員要處罰，以實現工作人員積極性的提高，保證煤礦掘進作業(yè)順利的完成。

4.4 掘進工藝優(yōu)化

當前在煤礦的掘進作業(yè)中，針對于連續(xù)加大的巷道斷面形式以及地質條件復雜圍巖承載性能不合格的情況，技術人員根據現場的狀態(tài)，對切割技術的改進，確保巷道架構結構的牢固性、穩(wěn)定性、可靠性，提高總體的運行效果。

第一，針對于巖石周邊架構不穩(wěn)定、開采難度較高的情況，表面比較粗糙時，選擇使用圖5a的順序完成切割處理。通過該切割方式，確保巷道內的斷面形狀不會發(fā)生損壞，煤層分布變得更加均勻，預防給周邊巖石造成嚴重的損壞和影響[5]。

第二，煤層頂板狀態(tài)較差的情況下，在縫隙較大的部位上進行掘進作業(yè)，以最快的速度進行支持與保護，并且使用圖5b的切割技術進行處理，促進掘進速度的提升，減少煤層頂板暴露的時間。

第三，對于承載性能較高以及兩幫情況比較差的情況，存在片幫的問題，要按照圖5c 的方式切割處理，縮短巖層裸露的時間，還要提升結構的牢固性，保證周邊結構的支撐效果合格，達到維護的標準，穩(wěn)定性較高，工藝圖見圖5。

5 結語

在本次研究中選擇某煤礦A工作面膠帶巷展開研究，通過理論分析、實踐經驗總結得出以下結論：

（1）巷道寬度、荷載同時升高，造成剪切損壞嚴重，兩幫拉伸損壞，底板變形量增加而發(fā)生兩幫變形增大的情況，造成片幫問題的出現，巷道穩(wěn)定性下降，承載圍巖不斷的延伸到內部。

（2）A 膠帶巷頂板巖層構造發(fā)育比較明顯，兩幫夾矸含泥量升高，內部結構穩(wěn)定降低，造成結構圍巖穩(wěn)定性不足。

（3）巷道支護設計方案得到優(yōu)化，改進支護結構以及支護結構的尺寸，并進行加強處理，從而達到穩(wěn)定性標準。在支護方案明確之后，進行必要的優(yōu)化，圍巖結構變形量有效的控制，支護形式更加的穩(wěn)定，煤礦內部的穩(wěn)定性、強度、承載性能得到提高，滿足煤礦開采運行標準，產生較高的經濟效益與社會效益。