弱黏结复合顶板巷道快速掘进支护关键技术研究

弱黏结复合顶板巷道快速掘进支护关键技术研究

陈兴康

冀凯河北机电科技有限公司

摘要：山西水泉煤矿弱黏结复合顶板半煤岩巷，岩层组合变化大，易冒顶、漏顶，导致巷道掘进速度缓慢，出现采掘失调问题。针对这一情况，对该煤矿弱黏结复合顶板巷道掘进工作面围岩破坏机理及顶板稳定性问题进行分析研究，从而提出了提高掘进速度的快速掘进支护关键技术与设备，实践应用效果理想。当前我国煤炭主要以井工开采为主，随着我国煤矿开采装备和科技的发展，煤矿开采的效率与质量也在大幅度提升。但我国煤巷掘进技术水平相对较低，且煤矿巷道的快速掘进设备相对滞后，导致国内煤炭企业存在采掘比例失调、掘进速度较低的情况。而且随着松软岩层、弱黏结复合岩层等复杂条件的不断出现，回采巷道快速掘进支护综合机械化程度的迅速提高迫在眉睫。

关键词：复合顶板；快速掘进；关键技术；支护装备；破坏机理

1工程概况

水泉煤矿位于山西省朔州市山阴县境内，2009年开工建设，2021年正式投产，是一座中型现代化井工矿，生产能力为90万t/a。开拓方式为斜井开拓，共有主斜井、副斜井和回风斜井三条井筒。工作面采用综采放顶煤回采工艺。该煤矿主要开采9#煤层，平均煤层厚度11.37m，煤层的摩氏硬度在2°～3°之间，属中等强度煤。顶板岩性为砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩；底板岩性为泥岩、炭质泥岩，复合特点显著，含有程度不均的离层破碎现象，且岩层组合变化大，巷道掘进时，很容易发生漏顶、冒落现象；同时，顶板岩层物理力学测试试验表明，泥岩、砂质泥岩等力学参数相对于砂岩的各力学参数较低，导致巷道围岩承载力低下，从而容易伴有小冒顶现象。

2巷道围岩破坏机理与稳定性分析

将该煤矿掘进工作面顶板部1.5m内岩与秒质泥的互层视为一种块体梁，受节理级面切形成不铜只度的块体，形成多块体梁结构，块体梁极限平衡状态分析可知，掘进工作面顶板稳定作即极跨距与顶板岩层的力学参数以及巷道断面尺寸关系密切，如弹性模量，单轴压强度拉强度及巷道宽度等，通过改变顶板岩石力学性能，可提高巷道极限跨距，增强巷道顶板的稳定性。

根据矿井地质资料，并结合地质力学参数，依据多块体的塑性极限荷载和极限跨度公式计算，得到该煤矿一盘区不同岩条件下掘进工作面顶板的极限跨距，基于顶板稳定性分级标准，建立巷道不同顶板稳定性条件下的数值模型，确定不同顶板稳定性级别下掘进工作面的安全悬顶距离，提出巷道顶板冒顶除区支护参数建议，按顶部稳定性分为分极稳定（I）、稳定（II）、中等稳定（III）、不稳定（IV）、极不稳定（V）五大级别。

结合矿井地质资料，依据一盘区掘进工作面顶板稳定性计算结果以及数值模拟分析结论，对一盘区回采巷道掘进工作面顶板冒顶危险区进行了分级，按照冒顶风险划分为5类。

一盘区顶板稳定性分析表明，掘进工作面循环进尺最大不应超过2.4m，对于I、II级稳定性顶板区域要防止小冒顶，加快掘进速度；对于III、IV类顶板区域要防止大冒顶，加大支护密度，严格控制悬顶距离，保障施工安全；对于V类顶板必须进行加强支护，小心掘进。

3巷道快掘强力掩护装备研发

传统的前探梁被动支护，安全性差，工人劳动强度大，而机载临时支护掘进时不能同步支护顶板的问题，自主设计一种自移式分段预承载掘进工作面强力掩护装备，包括可旋转的前探梁、支架顶梁、支架限位箱体、承重的伸缩支护立柱、支架底座、推溜千斤顶、支撑单体液压支柱、支架抬底千斤顶及滑轨，具有机动性强、强力预承载、分段可调等功能。

根据该煤矿煤巷掘进实际生产技术条件，如巷道尺寸、掘进机技术参数和掘进循环作业量，进行巷道快掘强力掩护装备的研发，最终确定装备支架外形尺寸长4480（+1600）mm，宽1200mm，高2200~3400mm；支架内部尺寸宽3760mm，高1400~2600mm；支架迈步行程800mm，铺网伸缩行程1600mm；支架工作阻力1900kN，支护强度0.45MPa，初撑力1544kN。

基于巷道快掘强力掩护装备的巷道掘进工艺为：安全检查→割煤出煤→退掘进机→移自移支架临时支护→永久支护→退自移支架→清浮煤→延输送带→检修和防突→运料。

4漏顶预控方法与关键技术

针对级IV与V级冒顶危险区巷道，超前注浆加固，提高煤岩体的强度，可有效防止掘进工作面帮及漏顶，注浆施工采用直径42mm钻头钻孔，孔深4~4.8m；顶板布置3个钻孔，两侧的钻各自向外偏转15°，仰角根据顶板破碎情况调整，原则上进入直接顶5cm左右；帮部孔两侧各2个，距离顶板0.5m和2m，距帮壁0.5m，水平角度0°，外偏角度30°。开发了一种可重复使用快速注浆加固装置，具体工艺为：成孔，将装置插入钻孔，通过预紧构件转动挤压密封橡胶圈使其与钻孔壁紧密接触，实现封孔；将注浆管与注浆泵接头相连接，开始注浆，逆止阀会在内部压力的作用下自动关闭，防止浆液上返；达到注浆压力后，解除装置封孔状态，取下注浆装置，进行下一钻孔施工。

（1）针对Ⅱ级与Ⅲ级相对稳定顶板，锚杆施工存在锚固剂搅拌不均匀、锚固力衰减过快问题，采用搅拌端最佳形态为60°双锲形搅拌端，可有效提升Ⅱ、Ⅲ级冒顶危险区内巷道描固质量。

（2）针对Ⅲ级与V级冒顶危险区等恶劣条件巷道存在锚固力低下、易衰减问题，提出了一种锚固机械扩孔方法，研发了固孔多段楔形扩孔装置，可改善恶劣条件区域锚固效果。

（3）针对Ⅳ级与V级冒顶危险区巷道围岩破碎，锚固剂存在外流，分布不均、居中度差等问题，研发了一种锚固剂定向防漏装置，可提高锚固剂的轴向速度及搅拌动压，有效防止锚固剂向下流动，保证锚杆的有效锚固长度，提升锚固效果。

5工业性试验及效果分析

弱黏结复合顶板快速掘进支护关键技术与装备，在该煤矿49104回风顺槽进行工业性试验，该巷道以Ⅲ，Ⅳ类顶板为主，设计掘进宽度为5000mm，高度为3500mm，采用综合机械化掘进。通过在49104回风顺槽工业性试验近4个月，运用可重复快速注浆技术、锚杆锚固力增强防衰减技术等相关技术，掘进工作面漏顶片帮情况明显得到了控制，大幅度提高了49104回风顺槽围岩的稳定性，掘进面减少或者杜绝巷道的补强与返修；运用快掘强力掩护装备，使巷道在掘进过程中单循环进度从1.6m提高到1.8m，单进提高近30%。经巷道矿压观测分析，顶板下沉量在0~22mm之间，成巷20~40d以后，变形速率逐渐减小，后趋于稳定，表明注浆加固效果良好；锚杆锚固力较原有同等围岩条件下提升近20%。

结束语

实践充分证明，在煤巷中应用锚杆支护，与传统的棚式支护相比，从根本上改善了支护状况，保证了安全生产，减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境，大幅度节约支护材料，降低支护成本。煤巷锚杆支护技术的理论与实践都已比较成熟，锚杆支护的可行性和安全可靠性得到充分验证。

参考文献

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