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掘进巷道快速过陷落柱施工工艺研究

掘进巷道快速过陷落柱施工工艺研究

[摘要]针对井下掘进巷道在遭遇陷落柱等地质构造时采用爆破掘进工效低、人员劳动强度大等问题,结合常村煤矿东翼胶带运输巷揭露的实际地质情况,对巷道原有的施工工艺和支护方式存在的问题进行研究分析,制定一系列有针对性的技术措施,从而提高巷道过陷落柱时的掘进效率,同时支护效果得到明显改善。现场试验结果表明:采用制定的一系列综合技术措施后,巷道掘进日进尺由2m提高到了5m,巷道顶板下沉量<200mm,巷道两帮移近量<300mm,巷道整体支护效果良好。

[关键词]陷落柱;锚网支护;壁后注浆;动态监测

1工作面概况

常村煤矿主采煤层为二1煤层,平均煤层厚度5.5m。东翼胶带运输巷位于常村煤矿13采区东翼,巷道地面标高+539.7~+575.9m,井下标高-100~-138m。巷道直接顶为厚度2.98m泥岩,老顶为厚度6.23m大占砂岩;直接底为厚度0.93m砂质泥岩,老底为厚度2.29mL8灰岩。该大巷布置在二1煤层中,沿二1煤层顶板施工,巷道施工断面为直墙斜顶断面,采用锚杆(索)、金属网和W钢带梁联合支护,巷道净宽5m、净高3.5m、断面面积17.5m2。东翼胶带大巷整体为单斜构造,掘进区域煤层疏松易破碎。根据矿井地质资料显示,巷道在掘进至1240m处时,将揭露DY30陷落柱,预计陷落柱短轴长40m,长轴长50m,预计巷道在向前施工45m后将会通过该陷落柱。

2原巷道掘进施工过陷落柱存在问题

2.1施工工艺工序存在的问题

矿井原巷道掘进施工采用EBZ-160型悬臂式掘进机进行巷道割煤掘进作业,在巷道掘进施工作业过程中,若遭遇陷落柱,在岩石硬度系数≤5时,则使用综掘机直接截割陷落柱岩石的方式进行掘进;在岩石硬度系数>5时,综掘机截割岩石难度较大,容易损坏设备,此时通常采用爆破的方法进行掘进,在工作面迎头进行打眼装药爆破后,采用综掘机进行出矸。因为EBZ-160综掘机功率较小,掘进岩石硬度系数较大的矸石难度大,出矸装运矸石时容易出现机器卡绊的现象;而且,因为该掘进机作业时负荷大,长时间运行时容易出现设备油温过高、油管接头渗油或者崩裂现象,造成施工效率降低。采用爆破掘进施工时,由于巷道断面大,施工的炮眼多,且爆破工序及前期准备工作繁多,造成爆破掘进施工进度慢,人员劳动强度大、工效低。因此,在巷道过陷落柱施工时,由于工艺工序复杂、劳动强度增大,所以施工效率降低[1]。

2.2支护方式存在的问题

东翼胶带运输巷采用锚网索配W钢带梁联合支护,其中采用的锚杆为准22mm×2400mm左旋无纵筋锚杆;托盘采用直径150mm、厚10mm的钢板制成;钢筋网采用准6.5mm钢筋制作,网片规格1200mm×2000mm,网孔规格60mm×60mm;采用型号为Z2350和K2350锚固剂,规格准23mm×500mm,质量640g±10g。锚杆布置:巷道顶部布置7根锚杆,顶板两侧锚杆距肩窝100mm,其余锚杆间距800mm,排距1000mm;帮部布置5~7根锚杆(根据煤层倾角确定),最顶部锚杆距肩窝100mm,第2根锚杆间距400mm,最下部锚杆距底板不大于100mm,其余锚杆间距800mm,锚杆预紧力矩不低于260N•m。锚索布置:巷道顶部锚索采用准18.9mm×7200mm钢绞线,呈“4-4”布置,间排距1500mm×800mm;帮部锚索采用准18.9mm×4200mm钢绞线。每个锚索孔采用1节K2350型快速树脂锚固剂和2节Z2350型中速树脂锚固剂锚固,托盘规格为300mm×300mm×16mm,锚索预紧力不低于100kN。巷道支护断面如图1所示。在巷道过陷落柱掘进施工期间,由于顶板岩层破碎、整体性差,巷道顶部锚杆(索)锚固力很难达到设计要求,造成顶板锚杆(索)支护效果差,存在较大安全隐患。在巷道施工过程中,为确保巷道支护质量合格,保证施工安全,需在原巷道采用锚网索支护的基础上,在距离掘进巷道迎头10m位置开始采取架设36U型钢棚进行加强支护。U型钢棚巷道净下宽5600mm,净高3500mm,棚距800mm,每棚使用3根拉杆,每帮使用3套卡缆,梁腿搭接500mm,空帮空顶处使用背板背实,支护形式如图2所示。采用U型钢棚支护时,需人工挖柱窝,抬运U型钢棚,架棚时需多人配合施工,人员劳动强度大,施工难度大,安全系数低,且增加了人员力量投入,造成掘进作业施工工效降低,影响掘进进尺,造成矿井采掘接替紧张。

3过陷落柱掘进工艺优化方法

3.1掘进装备改进优化

由于原巷道掘进时采用爆破掘进工艺,该工艺工序多,人员投入多,效率低。为解决该施工工艺难题,需使用大功率机械化装备代替炮掘工艺来快速过陷落柱。在东翼胶带运输大巷安装使用了EBZ260型岩巷掘进机机组用来掘进割岩,该岩巷掘进机截割和装载功率高、破岩装岩能力强,可以截割岩石硬度系数>5的全岩巷道,对地质条件较差的工作面适应能力强。因此,在采用该岩巷掘进机组后,工作面过陷落柱期间,不再对岩石进行爆破,减少了打眼装药爆破工序,同时由于该机组装岩能力强,在掘进迎头出碴期间,不会出现溜子卡碴现象,从而大大提高掘进施工效率,实现了过陷落柱期间的快速掘进。用来填充巷道岩层裂隙,使巷道围岩形成一个整体,提高巷道围岩结构稳定性,从而提高其承载能力[2]。采取壁后注浆时,分别在距巷道两帮顶部1m和2m位置各施工1个注浆孔,注浆孔排距为2m,注浆采用525水泥搭配水玻璃搅拌均匀后进行注浆。(4)巷道顶部全锚索支护。当巷道掘进过陷落柱时,若巷道顶板锚杆(索)锚固力达不到设计要求时,采取变更巷道顶板支护方式的措施,即在巷道顶部全部采用锚索支护,不再使用锚杆,采用全锚索支护时,其间排距按照原设计的锚杆间排距进行施工,并采取锚索全长预应力锚固,从而提高巷道顶部锚索的锚固力。(5)巷道喷浆封闭。由于所施工东翼胶带运输巷的巷道直接顶为泥岩,在掘进揭露直接顶后,极易出现风化破碎变形,同时因揭露的陷落柱对巷道围岩结构影响较大,易出现围岩节理裂隙发育。巷道围岩裂隙内容易进入空气,从而使围岩深部受空气影响出现风化变形,导致巷道围岩变形破坏更快。因此,为防止巷道围岩出现风化,从距揭露陷落柱20m位置开始对巷道进行全断面喷浆封闭。喷浆料采用C20混泥土,巷道平均喷浆厚度在50mm左右。(6)加强顶板围岩动态矿压监测。从巷道距揭露陷落柱20m位置开始,每间隔20m布置1个矿压监测分站,每个测站在巷道断面内布置3个测点进行测量,其中巷道顶部巷中位置布置1个、巷道两侧各布置1个(两侧的测点要求成水平布置)。每个测站安装MCZ-200、MCZ-300锚杆(索)测力计监测锚杆(索)受力状况,安装WBY-10顶板离层仪对顶板离层进行监测。通过测站实时对巷道围岩变形进行动态监测,发现巷道顶板离层变形加大,巷道两帮位移量增大等情况时,及时组织分析原因,进一步采取补强加固措施。

4实施效果分析

(1)通过在井下现场试验,采用EBZ260岩巷掘进机组截割岩层过陷落柱时,极大地提高了巷道掘进效率,使巷道掘进日进尺由原来的2m/d提升至5m/d,从而提高了矿井进尺水平,极大地缓解了矿井接替紧张的局面。同时采用掘进机截割,减少了打眼装药爆破工序,减少了人员投入,避免了打眼放炮带来的各种安全隐患。(2)巷道采用全断面喷浆和壁后注浆措施后,杜绝了巷道表层风化,加固了巷道围岩结构,减少了巷道围岩的破坏率,巷道顶板得到了有效控制。(3)通过监测分站对巷道顶板下沉量和巷帮位移量进行监测发现,巷道顶板下沉量<200mm,巷道两帮移近量<300mm,巷道整体支护效果良好。

5结语

在井下巷道掘进过程中遭遇陷落柱等地质构造时,会极大地影响掘进施工效率,增加劳动强度。通过更换巷道掘进装备,安装使用大功率的岩巷掘进机组来直接截割岩石,减少了打眼装药爆破工序,大大提高了巷道掘进效率。常村煤矿通过采取“提高巷道顶板护表和支护强度、巷道围岩壁后注浆加固、巷道顶部全锚索支护、喷浆封闭和围岩动态实时监测”等综合技术措施,有效提高了巷道支护效果,实现了井下掘进巷道安全、高效、快速地通过陷落柱,为矿井今后过陷落柱等地质构造提供丰富的经验。

[参考文献]

[1]马冠华.巷道掘进过陷落柱支护的优化[J].机械管理开发,2020,2(2):38-40.

[2]李杰.掘进巷道过陷落柱安全技术措施研究[J].山东煤炭科技,2019,4(4):46-47.

作者:郝宏伟 单位:山西煤炭运销集团簸箕掌煤业有限责任公司