复杂地质条件下巷下山掘进施工技术探索与实践

李文皓,张 文

(中煤平朔集团有限责任公司 井工三矿,山西 朔州 036006)

目前国内外岩巷施工广泛采用光爆锚喷法和大功率掘进机施工法,光爆锚喷法施工水平及技术经济指标受多种因素制约,随着科技进步和掘进设备的升级改造,大功率掘进机施工法逐渐增多,安全状况和掘进效率得到了大大提升。但综合机械化掘进在岩巷下山施工过程中,受断层、积水和破碎带等地质条件影响,掘进效率受到很大制约。本文通过现场实践经验,对如何解决岩巷下山掘进过程中的困难提出了具体解决办法,为综合机械化岩巷下山掘进提供参考[1-2]。

1 工程概况

39202辅运顺槽设计长度2 317 m,主要用途为综采工作面进风和辅助运输。巷道掘进采用EBZ-260型掘进机进行截割,煤矸通过掘进机铲板耙载到掘进机一运刮板转载至二运皮带、工作面SSJ-1000皮带运输机上,通过主运煤流系统将煤矸运出。巷道支护采用MQT-130锚杆机、MQS-60/2.1风煤钻为钻具,进行顶锚杆、锚索、帮锚杆支护。

巷道断面为矩形,宽×高=5.2 m×3.5 m,巷道采用“锚、网、索、钢带”联合支护。平面支护示意图见图1。

图1 平面支护示意图Fig.1 Supporting schematic diagram

当39202辅运顺槽掘进至750 m时,与Fs26正断层相遇,断层落差达17 m～23 m。此处巷道煤层为东坡向斜的南翼的开端,煤层倾角6°～8°。9#煤顶板为砂质泥岩、细粗粒砂岩,岩石硬度大,但粘结性差,遇水容易破碎,砂岩间含有多层黑色夹矸,局部冲蚀角砾岩,在掘进过程中经常出现片帮漏顶现象。顶、底部砂岩含水层储水体积大,含水空间丰富,隔水层隔水性能弱,掘进期间顶板局部淋水,底板和两帮局部出现渗水,长探孔有少量出水。掘进期间正常涌水量35 m3/h,最大涌水量150 m3/h。根据采掘现状和实际地质条件,并考虑辅运顺槽后期工作面安装设备和无轨胶轮车运输等因素,确定过断层方案。设计巷道坡度为-12°下山掘进,穿过9#煤层顶板进入断层下降盘的9#煤层。过断层方案示意图见图2。

图2 过断层方案示意图Fig.2 Passing fault diagram

2 巷道施工面临的困难

2.1 顶板情况

掘进至920 m～980 m时,顶板为以白砂岩为主的复合型顶板,顶板夹矸层较多,中间夹杂不规则煤矸层和泥岩层,局部岩层中冲蚀角砾岩,特别是Fs26断层附近,大断层伴生多条小断层,顶板极不稳定,顶板3 m～4 m处存在一层1 m厚的泥岩层,遇水变软,在施工锚索孔时,泥岩层段钻孔变大,树脂药卷很难到达锚索孔顶部,支护锚索困难,影响巷道施工进度。

2.2 施工影响因素

巷道掘进下山掘进初期,巷道顶板淋水变大,掘进时生产用水、防尘水、底板渗水及长探孔出水等全部流入迎头。岩石巷道掘进比煤巷掘进截割时间长,大量积水与截割下的岩粉混合形成泥糊状,大部分泥岩浆在机组爬爪、一运、二运和皮带等运输系统上打滑,部分泥岩浆洒至皮带机尾处,导致两帮浮煤大量堆积,人工清理量大。大量泥糊导致迎头支护困难,锚杆机陷入泥中,移动锚杆机耗费大量时间和人力。

2.3 巷道排水问题

下山掘进初期,迎头排水采用5.5 kW水泵排至最近的临时水仓,电泵吸水口高且不易移动,迎头积水与截割下的岩粉混合成泥岩浆,水泵容易被泥浆堵住,不易清理,给迎头排水造成很大困难。临时水仓安装37 kW水泵,采用阶梯式排水,排水点分散,排水不及时易造成水窝水满溢出至迎头。迎头积水泥沙含量大,容易造成管路逆止阀堵塞、水泵损坏等问题。

2.4 下山施工问题

下山巷道中,受重力分力的影响设备产生下滑趋势。32902辅运顺槽下山掘进工程中,皮带架向下歪斜,皮带在运输过程中经常出现皮带架倾倒现象。供水管路在供水水压和重力分力的双重压力作用下,管接头处多次爆开,供水直接流入工作面迎头,使迎头大量积水。皮带运输和供水管路问题,影响巷道正常生产。

3 采取的关键技术措施

3.1 复合顶板支护方案

在巷道掘进至断层时,岩石顶板中夹杂不规则煤线层和泥岩层,巷道顶板破碎,顶板出现离层、漏顶现象,巷道压力变大,部分锚杆锚索托板变形。局部地段施工锚索钻孔时,中部泥岩层钻孔被刷大,药卷很难顺利通泥岩层送入顶端,支护锚索影响时间长,严重影响施工进度。漏顶及托盘变形现场图片见图3。

图3 漏顶及托盘变形现场图片Fig.3 On-site picture of roof leakage and pallet deformation

针对上述情况,对过断层期间复合顶板支护方案进行调整。缩小锚杆排距为800 mm,短掘短支,减少顶板冒漏。加密锚索支护由五花布置变为双排布置,间排距改为2 000 mm×1 600 mm,加挂W钢带加强支护,每根W钢带布置2根锚索,增加顶板支护面积,提高复合顶板的整体性,必要时打超前锚杆控制顶板。

针对锚索树脂药卷滞留泥岩层,不能送入钻孔顶端问题,研制了连接杆制作的树脂药卷推送器,使药卷保持与钻孔在一条直线,钻孔施工后,能够快速将药卷推送至锚索孔顶端。经测试能够达到规定锚固力,提高了锚索支护速度,减少顶板空顶时间。树脂药卷推送器示意图见图4,在使用时应注意：1)推送头能够卡住树脂药卷，送入顶端后，用力推将药卷固定在孔顶端。2)药卷推送头使药卷保持竖直，能够顺利通过钻孔刷大部分，不歪斜而导致滞留。

图4 树脂药卷推送器示意图Fig.4 Schematic diagram of resin cartridge pusher

通过优化支护方案,很好的控制了顶板离层、漏顶现象,提高巷道支护强度和支护速度,安全快速通过了断层区。

3.2 优化施工工艺

巷道进入下山全岩巷初期,割煤后,巷道淋水及生产用水全部聚集迎头,形成泥岩浆,人员无法进入支护,只能利用掘进机截割部作为平台进行支护,锚杆机气腿陷入泥浆拔不出来,锚杆机经常被损坏,支护影响时间长,加之岩石较硬截割时间长,月进尺只有30 m左右。

针对迎头淤泥问题,采取了改变截割工艺,先截割巷道中上部,留1 m底渣进行蹬渣支护,后退机组,使铲板下方为最低点集中排水,避免人员和锚杆机气腿陷入泥岩浆中,改善支护条件。合理安排工序,在割煤的同时,准备好支护机具和支护材料,割煤结束后迅速执行以下工序:退机组,敲帮问顶、临时支护,上网片,永久支护。提高支护速度,减少因迎头积水与岩渣接触时间长而形成的泥浆。下一循环在掘进前先进行扫底,使蹬渣作业时留下的底渣与迎头少量积水混合,将水泥浆带出。同时加固机组一运、二运转载点挡煤板,制作全包围挡煤皮,皮带机尾增加挡煤皮和防跑偏托辊,减少运输系统撒货,提高设备运输能力,提高掘进速度[3-6]。

3.3 风电联合排水方案

下山掘进治水是关键,只有控制迎头积水,减少泥岩浆,提高设备运输能力,才能改善掘进头支护作业条件,提高割煤和支护速度,提高掘进效率。

39202辅运顺槽下山掘进初期采用电泵排水,电泵吸水口高且不易移动,排水不净不及时。因排水不畅,工作面迎头积水、淤泥严重制约施工进度。后期通过使用风电联合接力排水,有效控制了迎头积水问题,减少了泥岩浆对生产的影响。具体方案如下:

1)每掘进50 m～70 m施工1个临时水仓,安装2台37 kW水泵(1用1备),排水至顺槽主排水管路。

2)临时水仓水泵安装自动排水装置,防止人员排水不及时造成满仓溢流和水泵空载运行烧泵的问题。

3)在距工作面迎头10 m～20 m处安装1台风泵,随工作面前移,吸水口放置在迎头积水处,排水口延至临时水仓。风泵吸水部分由直径51 mm的高压胶管和过滤罩组成,方便移动。

4)掘进时,在机组后设置临时水坝,拦截巷道流水,将风泵吸水口放置在水坝内,及时排出巷道内流入迎头的流水,减少迎头积水。

3.4 防下滑技术措施

在大坡度下山掘进期间,平均每月因运输系统皮带倒架影响掘进3次,因供水管路接头脱开造成迎头积水2次,对巷道掘进产生严重影响。

针对下山掘进时皮带架和供排水管路受下滑力影响生产的问题,对皮带和管路采取了防下滑措施:

1)每隔50 m在皮带H架两侧增加一组地锚,使用花篮螺栓配合钢丝绳与皮带架连接牢固。

2)对供排水管路的吊架进行加固,每隔30 m增加防下滑钢丝绳,使用花篮螺栓固定在帮锚杆上。

3) 在管路接头处的两根水管上安装防脱卡,防止管路受供水压力和下滑力影响管头脱开。

通过增加防下滑设施有效控制了皮带倒架和水管脱开问题,提高设备的稳定性,杜绝了皮带倒架和水管脱开对生产的影响。

4 结束语

通过39202辅运顺槽全岩下山掘进过程中遇到的困难,对现场施工技术不断探索与研究,抓住了断层区复合顶板、迎头积水、支护速度等关键问题,采取了复合顶板支护方案、优化施工工艺、联合排水方案和防下滑等措施,提高巷道施工进度、减轻人员劳动强度,创造了复杂条件下全岩巷道下山掘进月进77.6 m的成绩,月进尺提高一倍以上,创造了很好的经济效益,为同等条件下的巷道施工提供了借鉴。