煤矿巷道支护参数优化与快速掘进技术研究.pdf

第４２卷第８期能源与环保Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  ８２０２０年８月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＡｕｇ．２０２０收稿日期２０２０－０３－０８；责任编辑陈朋磊ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０８．０４８作者简介叶洪金（１９８８），男，贵州盘县人，工程师，硕士，２０１２年毕业于中国矿业大学，现从事煤矿管理工作。引用格式叶洪金．煤矿巷道支护参数优化与快速掘进技术研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（８）２２０  ２２３．ＹｅＨｏｎｇｊｉｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒａｐｉｄｄｒｉｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎ  ｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（８）２２０  ２２３．煤矿巷道支护参数优化与快速掘进技术研究叶洪金（贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿，贵州盘县５５３５３９）摘要根据２６７４回风巷具体地质概况，对巷道应力进行了分析，并根据围岩地质条件进行了巷道支护参数优化，同时研究了快速掘进技术的施工方法，主要包括支护工序、永久支护工序安排及要求、锚杆施工安装工艺、支护工艺、支护形式、施工工艺、装载与运输等，最后进行了巷道围岩变化监测。研究表明，采用优化以后的支护工艺和支护参数，能有效减轻工人劳动强度，降低巷道支护成本，巷道掘生产效率提高了２５％，同时巷道变形量也显著减小。研究为相似条件下巷道快速高效掘进提供了技术支持。关键词巷道支护；参数优化；快速掘进中图分类号ＴＤ３５３文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０２０）０８－０２２０－０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒａｐｉｄｄｒｉｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＹｅＨｏｎｇｊｉｎ（ＨｕｏｓｈａｏｐｕＣｏａｌＭｉｎｅ，ＧｕｉｚｈｏｕＰａｎｊｉａｎｇＣｌｅａｎＣｏａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｐａｎｘｉａｎ５５３５３９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ２６７４ｒｅｔｕｒｎａｉｒｗａｙ，ｔｈｅｒｏａｄｗａｙｓｔｒｅｓｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐ  ｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒａｐｉｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｂｏｌｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒｍ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｏａｄｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．ａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙ．Ｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｕｓｅｏｆｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｗｏｒｋｅｒｓ，ｒｅｄｕｃｅｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｏｓｔｓ，ｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｒｏａｄｗａｙｅｘｃａｖａｔｉｏｎｂｙ２５％，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｒｏａｄｗａｙｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｐｒｏｖｉｄｅｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｒａｐｉｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｏａｄｗａｙｅｘｃａｖａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｓｉｍｉｌａｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｒａｐｉｄｄｒｉｖｉｎｇ０引言国内外学者对巷道支护理论进行长时间的研究，在强调“ 支护围岩” 结构的研究基础上，许多支护理论随之产生［１  ３］。①悬吊理论。悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上。对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶板均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚杆及时将其挤压，并悬吊在基本顶上，直接顶板就不会与基本顶离层乃至脱落。锚杆的悬吊作用主要取决于所悬吊的岩层的厚度、层数及岩层弯曲时相对的刚度与弹性模量，还受锚杆长度、密度及强度等因素的影响［６  １２］。这一理论提出得较早，满足其前提条件时，有一定的实用价值。②松动圈理论。松动圈理论由董方庭教授提出，其内容要点凡是无支护坚硬围岩巷道的围岩松动圈都接近于０，尽管围岩弹塑性变形仍然存在，但并不需要支护。与之相比，软岩巷道围岩存在较大松动圈，且松动圈越大围岩变０２２２０２０年第８期叶洪金煤矿巷道支护参数优化与快速掘进技术研究第４２卷形越大增加支护难度。对其采取支护措施的最主要目的就是限制围岩松动圈的发展从而遏制围岩的收敛变形。③主次承载区支护理论。主次承载区支护理论由方祖烈教授提出，该理论认为随着巷道的开挖，在巷道围岩深部形成压缩域，在巷道围岩浅部形成张拉域。压缩域围岩具有自承能力，是维护巷道稳定的主承载区。对浅部围岩采取支护措施后能够形成一定的承载区，但与压缩域主承载区相比其承载能力较小，所以称之为次承载区。根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来确定浅部张拉域围岩的支护结构和参数，协调主、次承载区作用从而实现巷道的最终稳定。④围压恢复加固理论。围压恢复加固理论由明世祥教授首先提出，该理论认为巷道浅部围岩处于二向受力状态，深部围岩处于三向应力平衡状态。浅部围岩的强度远远小于后者所以容易失稳破坏，采取锚固措施后使其恢复三向应力状态提高其强度，保持和发挥围岩的“ 自支承能力” 。⑤关键承载圈理论。关键承载圈理论由康红普教授提出，该理论认为在巷道围岩体一定深度范围内存在一个能承受较大切向应力的“ 岩石圈” ，圈外岩石处于应力平衡状态，可以用来悬吊承载圈以内的岩层。理论分析及工程实践表明，承载圈厚度越大，圈内应力分布越均匀，承载能力越大；在对围岩未采取人工支护等控制措施时，承载圈离巷道周边越近，荷载高度越近，巷道越容易维护。关键承载圈的位置及厚度，可以根据对围岩状态的分析计算得出。锚杆的支护作用是将破坏区岩层与关键承载圈相连，阻止破碎岩层垮落，对围岩提供径向和切向约束力，阻止破坏区岩层的扩容、离层、滑动，提高破碎区的承载能力。⑥新奥法。奥地利科学家在总结前人经验的基础上提出了一种新的隧道设计施工方法，被称为奥地利隧道新施工方法，简称新奥法。１９８０年奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为在岩体或土体中设置的使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法。新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支撑环。１工程概况１．１工作面情况２６７４回风巷位于滥泥箐采区北翼，南至２６７４风巷联络巷，北至２６７４切眼，上覆３号煤２６３２工作面已回采完毕，上覆５号煤尚无工程，下伏１０号煤层，２６１０２工作面已回采结束，沿倾斜向上的７号煤层，２６７２工作面已回采结束，工作面垂深２９６～３５４ｍ。１．２煤（岩）层赋存特征煤层特征情况见表１。表１煤层特征情况Ｔａｂ  １Ｃｏａｌｓｅａｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ顶板名称岩石名称厚度／ｍ岩性特征基本顶灰色粉砂岩８．００～１０．００泥质粉砂岩与细砂岩、似层状菱铁矿互层直接顶灰色粉砂岩１．００泥质粉砂岩与似层状菱铁矿互层，含有大量的植物化石（大羽羊齿）直接底灰色泥岩０．１０～０．３０灰色泥岩，无层理，遇水呈泥状基本底深灰色泥岩及粉砂岩３．００～５．００泥质粉砂岩夹似层状菱铁矿１．３地质构造根据地测科提供地质说明书看，无大断层影响，预计小断层较发育。水文地质条件及防治水措施 ①矿井水的来源主要是大气降水沿采空区裂隙渗入井下。②必须遵守“ 预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采” 的原则。矿井最大涌水量６０ｍ３／ｈ，正常涌水量３０ｍ３／ｈ。２支护设计２．１巷道应力分析２６７４风巷掘进属于沿２６７２综采工作面影响范围掘进，是典型的沿空掘巷工作面，与２６７２运巷留有３ｍ的小煤柱，巷道掘进范围属于２６７２采空区的泄压范围内掘进。２．２支护形式（１）临时支护。①临时支护的安装及使用方法。锚网断面综掘机截割到设计尺寸后、先敲帮问顶，然后将掘进面预压的顶网铺开，采用“ 隔一打一” 的方式及时打设锚杆将掘进面顶板支护好，即综掘机截割完以后， “ 敲帮问顶” 结束后，及时在巷道顶板上按１４００ｍｍ间距打设３根锚杆将顶板支护控制好。（２）永久支护。采用锚网＋锚索＋钢筋梯联合支护。２．３支护设计选型（１）支护材料选择。 ①锚杆选用 ２２ｍｍ２５００ｍｍ右旋无纵筋全螺纹锚杆。②帮锚选用１２２２０２０年第８期能源与环保第４２卷  ２０ｍｍ１８００ｍｍ右旋无纵筋全螺纹锚杆。③锚索使用  ２１．６ｍｍ６２００ｍｍ的钢绞线锚索。④ 锚固剂锚固剂采用ＭＳＫ２３６０， ＝３０ｍｍ，Ｌ＝６００ｍｍ，使用数量锚杆１卷，锚索２卷。⑤锚杆托盘采用钢板托盘，制成１５０ｍｍ１５０ｍｍ方形鼓型托盘，厚为１０～１５ｍｍ。⑥金属网采用１０号冷拔丝编织的金属方格网（５０ｍｍ５０ｍｍ），规格３．０ｍ０．９ｍ。（２）支护参数选择。断面宽高＝５．０ｍ３．０ｍ。锚杆间排距为８００ｍｍ８００ｍｍ，锚索间排距为１６００ｍｍ２４００ｍｍ。３快速掘进技术（１）支护工序。先“ 敲帮问顶” ，再进行临时支护，最后进行永久支护。（２）工序安排及要求。施工过程综掘机截割完以后，人工敲帮问顶结束后，一组施工人员按１４００ｍｍ１４００ｍｍ的间排距按由外往里的顺序逐排打设临时支护，然后安排另一组人从后路按要求将未打设的帮锚、锚索打设齐全，如此循环往复进行。帮锚杆最多可滞后滞后掘进面８ｍ排施工，锚索最多可滞后掘进面１２ｍ施工，若顶板破碎时，将锚索、帮锚及时紧跟掘进面打设，严禁空顶作业。（３）锚杆施工安装工艺。“ 敲帮问顶”→临时支护→打眼→清理钻孔→安装锚固剂、杆体→搅拌→ 等待→安装托盘、螺母→紧固。（４）支护工艺。采用锚网索＋钢筋梯联合支护。（５）施工工艺。①施工方法。该工作面主要采用综掘机截割落煤，后跟刮板输送机、胶带输送机运输煤矸，支护形式为全锚网支护。②施工方式。交接班安检→隐患排查处理→开工准备→按照截割顺序割煤→出货→“ 敲帮问顶”→临时支护→永久支护→自检→进入下一循环。顶板完好时截割顺序在工作面中部进刀切入，达到截深后，以此为中心，按照顺时针摆动截割臂做圆周切割，使巷道基本成型后，再用截割部刷帮、顶，使断面达到设计要求。顶板破碎时截割顺序将工作面分成２次进行截割，先截割工作面１／３的宽度，后截割工作面剩余的２／３宽度，最后刷周边帮、顶，使断面达到设计要求。（６）装载与运输。①装载与运输方式综掘机截割装载，运输方式为刮板输送机、胶带输送机运输。②装载、运输机械及其配套设备的名称、型号、安装位置、固定方式，安全设施的安设方式、运输距离等。装载、设备运输方式见表２。表２装载、设备运输方式Ｔａｂ  ２Ｌｏａｄｉｎｇａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ序号设备名称型号数量固定方式运输距离／ｍ１综掘机ＥＢＺ１６０１２胶带输送机ＳＰＪ  ８００１地锚８０３刮板输送机４２０Ｔ１地锚１０４胶带输送机ＳＰＪ  １０００１地锚７０６（７）煤矸、材料设备、人员运输线路。①煤、矸运输方式综掘机落煤后经综掘机装载→２６７４回风巷刮板输送机→２６７４回风巷联络巷胶带输送机→ ２６１石门胶带输送机→２６１石门煤仓→２６采区一区段运输巷→２６采区运输上山→２６采区煤仓→１６６０北大巷强力胶带→００２内煤仓→胶带走廊→地面洗煤厂。②材料、设备运输方式地面→副斜井→１６６０北大巷→北三采区石门→材料暗斜井→２６采区一区段运输巷车场→２６采区一区段运输巷→２６１石门→２６７４回风巷→施工点掘进面。③装载与运输各工序安排，与其他工序协调。综掘机装载出货的同时，可使用回风巷胶带输送机进行冲运料工作。４支护效果１号测点巷道围岩变化情况见表３。（１）２６７４回风巷属于２６７２采空区卸压范围内掘进，掘进期间巷道顶板变形量较小，现场支护效果良好。（２）从数据分析比对来看，顶板离层量最大值５８ｍｍ，底鼓量最大值４５ｍｍ，两帮位移量最大值５７ｍｍ，说明巷道变形主要以顶板离层变形为主，两帮变形相对较小，应该将巷道顶板控制作为巷道支护的重点。５效益分析（１）直接经济效益。①原设计经济投入每米材料投入２０６７．６元； ②优化设计后材料投入材料投入可节省８９３元／ｍ。优化后减轻了工人劳动强度，生产效率提高了２５％。（２）社会效益。采用“ 隔一打一” 的临时支护方式，既对顶板起到了快速支护作用，同时作为临时支护的锚杆又成为永久支护的组成部分，大大缩短了支护工艺施工时间，确保巷道支护效果，又消除了支２２２２０２０年第８期叶洪金煤矿巷道支护参数优化与快速掘进技术研究第４２卷表３１号测点巷道围岩变化情况Ｔａｂ  ３ＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃｈａｎｇｅｓｉｎＮｏ．１ｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｏａｄｗａｙｍｍ日期顶板离层量顶板下沉量底板鼓起量上帮位移量下帮位移量７月１６日０００００７月１７日２４０４２７月１８日６８４８４７月１９日１３１５４１５８７月２０日１６１８８１８１０７月２１日１８２０１５２０１２７月２２日２０２２２０２０１５７月２５日２０２２２０２０１５７月２８日２３２５２０２２１５８月２日２４２６２２２２１５８月６日２６２８２４２３１６８月１０日２６２８２６２３１７８月１４日２８３０２７２６１７８月１７日２８３０２７２６１７８月２３日３３３５２９２８１９８月３０日３３３５２９２８１９９月３日３８４０３０３０１９９月８日３８４０３０３０１９９月１３日３８４０４０３０２２９月２０日５３５５４０３０２２９月２６日５３５５４５３０２４１０月４日５８６０４５３２２４１０月１３日５８６０４５３２２５护过度现象，提高了巷道掘进进尺效率，大幅提高掘进工效，对缓解该矿２６采区生产接替紧张的局面具有重要意义。６结语根据该矿２６采区７号煤的煤层地质条件，结合现场实际条件，对２６７４回风巷快速掘进工艺及支护参数优化进行了初步的研究和探索，采用“ 隔一打一” 的临时支护方式，可以有效减少顶板空顶时间，并根据顶板及两帮变形量情况，对顶板和两帮采用不同长度的锚杆进行支护，大大减少了锚杆支护打眼的时间，提高生产劳动效率，提高巷道掘进单进进尺量，有效缓解了采区生产接替紧张的局面。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］李刚，牛磊，李文龙．煤矿硬岩巷道快速掘进技术研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１８，４６（１１）１８  ２５．ＬｉＧａｎｇ，ＮｉｕＬｅｉ，ＬｉＷｅｎｌｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒａｐｉｄｄｒｉｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ  ｇｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｈａｒｄｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ  ｇｙ，２０１８，４６（１１）１８  ２５．［２］李亚伟．煤矿岩巷爆破参数优化与快速掘进技术研究［Ｄ］．淮南安徽理工大学，２０１４．［３］王旭锋，张东升，邵鹏，等．深部软岩锚喷支护巷道快速掘进技术［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１１，２８（３）４１５  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