復(fù)雜地形條件下煤礦掘進支護方案研究

復(fù)雜地形條件下煤礦掘進支護方案研究

煤炭是我國的基本能源，是經(jīng)濟發(fā)展和進步的重要保障。隨著以采煤機、刮板機和能源支架為代表的采煤機的不斷投資，采煤機和采礦機的綜合采收率顯著提高。為了適應(yīng)自動化設(shè)備井下綜采作業(yè)需求和高效轉(zhuǎn)運需求，對井下巷道的尺寸和支護安全性、掘進效率均提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的支護方案中主要是利用被動支護的方案，以錨桿支護為主、灌漿支護為輔，但在井下復(fù)雜地形條件下灌漿支護凝固效率低、漿液傳輸工作量大、經(jīng)濟性差，無法適應(yīng)高效掘進的需求。本文提出了一種新的支護技術(shù)，其利用錨桿、錨索、錨網(wǎng)進行聯(lián)合支護，充分發(fā)揮了各種支護方式的優(yōu)勢，不僅充分地調(diào)動了圍巖的承載能力，而且錨固范圍大、支護操作簡單，根據(jù)實際應(yīng)用表明新的掘進支護方案能將井下支護效率提升22.6%，將巷道圍巖變形量降低76.2%，顯著提升巷道掘進效率和安全性。1聯(lián)合支護方案以井下典型復(fù)雜地形條件為例，其煤層中含有3層以上的夾矸層，每層夾矸層的厚度超過0.3m，煤層位于裂隙發(fā)育區(qū)，而且在復(fù)雜地形條件下，由于巖層硬度差，因此在巷道頂板周期性來壓作用下極易出現(xiàn)垮塌，傳統(tǒng)的支護方案中一般采用了依靠經(jīng)驗進行反復(fù)加強支護的方式，利用架棚、錨桿等對出現(xiàn)松動的地方進行加固，工作量大、支護效率低。錨桿支護的錨固深度一般為2m，錨固深度較淺，在地質(zhì)條件不穩(wěn)定的情況下，無法對頂板覆巖的變形進行有效控制，在周期性來壓作用下極易出現(xiàn)頂板垮塌。錨索錨固由于錨固深度大，因此可以有效地將淺層的圍巖形成一個穩(wěn)定的加強承載體，而且錨索通過錨固力可以將其控制范圍內(nèi)的巖壁鎖緊并吊在頂板上，形成一個穩(wěn)固的支點，不但降低了頂板的承載跨距而且也有效的降低了頂板在來壓作用下的彎矩。錨網(wǎng)則主要是對易碎裂的區(qū)域進行防護，避免在掘進擾動和礦壓波動下碎石的垮落，保證巷道內(nèi)的掘進安全。因此結(jié)合錨網(wǎng)、錨桿、錨索的實際使用要求和作用，提出將三種支護形式進行有機統(tǒng)一的聯(lián)合支護方案，將頂板的基本頂、直接頂和圍巖形成一個整體組合梁，調(diào)動圍巖深處的承載力，將掘進和來壓過程中的應(yīng)力向深處巖層傳遞，降低載荷沖擊對錨桿支護結(jié)構(gòu)和淺層巖層的破壞，提升巷道頂板的穩(wěn)定性在巷道掘進過程中的支護，根據(jù)形式的不同可分為永久支護和臨時支護，掘進機掘進作業(yè)后首先由人工進行臨時支護布置，然后再進行錨桿、錨索永久支護布置，該支護方案為串行式支護，不僅支護效率低而且支護安全性差。因此結(jié)合井下高速掘進作業(yè)需求，提出了“二合一”式的支護方案，將臨時支護和永久支護工序進行合并，使錨網(wǎng)布置、鉆孔、鉆機移位等工序和掘進機的掘進作業(yè)并行開展，不僅取消了臨時支護工序而且將部分永久支護工序進行前移，根據(jù)實際計算，采用“二合一”支護方案能夠節(jié)約1/3的支護時間，而且有效避免了在永久支護過程中進行煤塊清理、補強支護等，降低了勞動強度，提升了支護可靠性。2錨桿、錨索的設(shè)置以典型的大巷道掘進面為依據(jù)，新的“二合一”支護方案中，在主巷道內(nèi)設(shè)置了5組錨桿，在巷道左側(cè)布置3組錨索，在巷道的右側(cè)布置2組錨索。根據(jù)復(fù)雜地形條件下礦壓顯現(xiàn)的最大值，錨桿選用了直徑為22mm的螺紋鋼錨桿，錨桿之間的橫向距離設(shè)置為1000mm，錨桿的縱向距離設(shè)置為1000mm，設(shè)置在下側(cè)的錨桿距離巷道底板為500mm，設(shè)置在上側(cè)的錨桿距離巷道頂部的距離同樣為500mm。錨桿在設(shè)置時需要根據(jù)井下的實際地質(zhì)情況和巷道底板呈10°～15°的夾角。錨索布置時采用了3-4-3的布置結(jié)構(gòu)，相互之間的距離為2000mm。在巷幫處每排設(shè)置3根錨桿，錨桿的縱向距離為1000mm，橫向距離為1000mm，錨索的直徑和錨桿直徑一致，便于進行固定加強。錨索在設(shè)置時做出的錨索橫向排距為1000mm，縱向排距為2000mm，最上層的錨索和頂板錨桿的距離保持在500～1000mm，下部的錨索和錨桿的距離也保持在500～1000mm。巷道右側(cè)錨索的間距設(shè)置為2200mm，排距設(shè)置為2000mm。同時在錨索的尾部還需要設(shè)置相應(yīng)的鎖具3支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化在掘進機的端部由于斷面尺寸相對較大，因此在掘進過程中容易出現(xiàn)冒頂事故，因此是快速掘進過程中巷道頂板支護的關(guān)鍵，結(jié)合巷道掘進工藝和支護安全性需求，提出了三次成巷快速支護方案對巷道掘進端部的支護同樣采用了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護的結(jié)構(gòu)，先將錨索以“井”字型結(jié)構(gòu)布置在巷道內(nèi)，組成一個支護框架，滿足對頂板的支護穩(wěn)定性需求，然后在掘進機進行掘進作業(yè)的過程中將錨索用鋼帶串起來，鋼帶的間距設(shè)置為1000mm，排距設(shè)置為1000mm，鋼帶的數(shù)量根據(jù)煤礦井下巷道的實際寬度進行靈活選取，錨網(wǎng)選擇孔徑為30mm的高密度錨網(wǎng)4巷道變形量監(jiān)測以某井下掘進作業(yè)面為驗證對象，巷道寬度為5.0m，巷道高度為2.8m，巷道所處的地質(zhì)條件為典型的不穩(wěn)定型地質(zhì)，且部分處在斷層處，穩(wěn)定性極差。對采用新的巷道掘進支護技術(shù)情況下的巷道掘進穩(wěn)定性和效率進行對比分析，在巷道頂板和兩幫設(shè)置位移監(jiān)測裝置，對掘進作業(yè)過程中的頂板下沉量、巷道兩幫移近量和底鼓量進行監(jiān)測，結(jié)果如圖3所示。由實際監(jiān)測結(jié)果可知，采用新的支護技術(shù)方案后，巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量均是先快速增加，然后逐漸的趨于平穩(wěn)。頂板下沉量在第40d時達到了31mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120d時穩(wěn)定在了39mm，比優(yōu)化前降低了76.2%。巷道兩幫的移近量在第61d時達到了138mm，隨后雖然變形量持續(xù)增加但增加速度極慢，在第120d時穩(wěn)定在了145mm，比優(yōu)化前降低了91.1%。巷道的底鼓量，在第40d時達到了58mm，在第120d時達到了86mm，比優(yōu)化前降低了79.1%。由此可知新的支護技術(shù)方案能夠極大的提升巷道掘進過程中的穩(wěn)定性。通過對掘進過程中的效率對比，新的支護方案由于采用了錨索網(wǎng)一體式支護和“二合一”支護方案，總體掘進效率比優(yōu)化前提升了22.6%，為提升井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟性奠定了基礎(chǔ)。5支護方案安全性評價為了解決復(fù)雜地形條件下巷道支護工作量大、效率低、安全性差的難題，提出了一種新的煤礦井下掘進支護技術(shù)，其采用了錨索網(wǎng)聯(lián)合支護及“二合一”的方案，實現(xiàn)了復(fù)雜地形條件下煤礦掘進支護安全性的提升，根據(jù)實際應(yīng)用表明：1）“二合一”支護方案能夠節(jié)約1/3的支護時間，而且有效避免了在永久支護過程中進行煤塊清理、補強支護等，降低了勞動強度，提升了支護可靠性。2）三次成巷快速支護方案能夠在不影響巷道掘進效率和質(zhì)量情況下優(yōu)化掘進端部支護