深部复杂地质条件下半煤岩巷快速掘进技术探析

李荣先

（呼伦贝尔蒙西煤业有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

在煤矿开采的过程中，难免会遇到一些比较复杂的地质条件，在这种条件下，为了确保开采工作的顺利进行，同时，保障施工的安全，需要采取有效的掘进速度。巷道快速掘进技术是一种比较此常用的技术，该技术具有系统性的特点，工作效率较高、工艺技术比较复杂。随着各类新的开采设备的投入，采掘不平衡的现象日益严重。相较于浅部巷道支护施工，深部采用的“锚-网-索”支护方式存在一定的问题，包括围岩变形、工序繁多等。所以，改进支护技术，提升掘进速率，使采掘比平衡。

1 工程概述

本文所述矿井为葫芦素矿井，该矿井的21204工作面使2-1煤层二盘区首要开采的工作面。煤层埋藏的深度较大，在619～656m，倾斜角度为0°～3°。该工作面设计了长为5768.1m的回风巷，沿着么层顶板向底层掘进，掘进的方位角度为180°。在掘进的区域和段落之中，煤层比较稳定，夹矸有1～3层，以泥岩、砂质泥岩为主。煤层厚度不超过2.2m，不小于1.87m。在回风巷南部600m的位置，有一个X1向斜横在整个工作面中很难过想贯穿，向斜走向为西南方向，区内约有1800m延展，在回风巷开口南部1235m的位置，有一个A形状的断层，且断层倾斜，角度为63°，区内存在落差，在10～20m。断层区向内延伸830m左右，地质结构比较复杂。大部分顶板都比较完整，主要为粉砂岩、砂质泥岩，同时，还分布煤线软弱夹层，掘进的过程中可能会出现失稳的情况，甚至会有比较大的矸石掉落，十分危险。伪顶大部分为页岩，经常会出现局部层罗的情况。底板大部分是砂质泥岩和细砂岩。

选用MB670/265型掘锚机进行施工，配合10SC32-48C型梭车、DSJ1002X160带式输送机等设备进行运输。该巷道为矩形巷道，断面宽5.4m，高3.2m，采用“三八”循环作业的方式。

2 高预紧长锚固技术

2．1 顶板连续梁

在顶板使用预应力锚杆设置锚固岩梁，要确保锚固岩梁的厚度，这样可以将离层消除，也能够减少失稳的情况，进而保障掘进的安全性。采用这种方式可以让本层内、多层间相互联动，也就是所谓的连续梁。具体来说，就是巷道顶板在横竖两个方向的梁，这些梁具有连续性，在简单且坚硬的顶板岩石的条件下，巷道很容易做到宽度连续，竖向连续要对锚杆支护的作用进行考虑和分析。如果采用这种技术理论，则稳定性与锚杆预应力的水平有一定关系，在预应力满足一定要求的情况下，在锚杆预紧力作用范围中，可以很好地控制顶板离层。受到预应力的影响，锚杆可以进行补强和协调变形，以此控制顶板变形的情况。在高压力水平的情况下，预应力较高，但强度较低的锚杆相较于没有预应力但强度较高的锚杆，前者的效果更好。应用高预应力锚杆的主要目的就是建立连续墙，使顶板更加稳定，能够承受高压的影响，强化顶板的刚性，使其成为刚性梁或者接近刚性梁，进而消除拉伸区，也能将巷道两边的较高的应力集中系数降低。

连续梁理论的重点，就是将水平预应力施加在锚杆行，这样可以充分利用岩层间的协调变形，从而使顶板更加稳定。增加连续梁顶板可以让顶板岩层处在三向压缩的状态下，可以降低高压的影响，确保顶板的完整性。在连续梁理论中，锚杆杆体并不属于承载结构的一部分，而是将高水平的初撑力提供给顶板，这样才能形成连续梁顶板，其具有压力自承结构。实验数据表明，采用连续梁顶板，可以降低锚杆的后期增仔，杆体只需具备维持应力的能力即可，无须其他作用。

2．2 高紧长锚固技术

高预紧长锚固技术应用后，可以制作出预紧力较高、锚固层较厚的连续梁。该技术中采用的锚杆工作效能较高，与普通锚杆的工作效率相比，该锚杆的工作效率要高出3倍多。所以，利用此类锚杆，可以进行跨界支护，进而使巷道更加稳定。要充分发挥林旭亮理论的作用，就要合理运用高预紧长锚固技术。

2．3 柔性锚杆

在高预紧长锚固锚杆中，柔性锚杆是比较常用的一种锚杆，杆体采用钢绞线制作，利用锁具进行预紧，强度较高，可以达到1850MPa。除了强度高之外，柔性锚杆还具有预应高、工艺形成优良、增载性强大的技术特征。

3 支护方案的对比与优工作面化

3．1 旧支护方案

原本的支护方式为“锚-网-索”三种方式的联合支护。其中，顶板锚杆采用的是左旋螺纹锚杆，规格为Φ20mm×2200mm，间排距为1100mm×1100mm；托盘采用钢托盘，形状为正方形，规格为150mm×150mm×12mm；锚索采用预应力钢绞线锚索，规格为Φ17.8mm×6200mm，每一排都要使用，使用数量为3根，间排距为1500mm×300mm；托盘采用钢托盘，形状为拱形，规格为300mm×300mm×16mm；选用CK2370号树脂；还要使用钢筋网，尺寸为Φ6.5mm×5400mm×1100mm，网格大小为100mm。非回采帮采用刚锚杆，类型为左螺旋纹型，规格为Φ20mm×2200mm，每排都要使用，使用数量为3根，间排距为1100mm×1000mm。还使用了菱形金属网格，总体大小为3300mm×1100mm，网格的大小为50mm。回踩侧帮采用玻璃刚锚杆，规格为Φ27mm×2000mm，每排都需要使用，使用数量为3根，间排距和前面相同。双抗塑料网也是不可或缺的应用材料，规格为3300mm×1100m，网孔的大小为50mm。在该支护方案应用的过程中，需要较长的时间进行顶板支护，且受到掘锚机锚臂摆动幅度的影响，需要由技术人员对中间锚索进行补打，这种掘进方式不仅缺少安全性，而且效率不高，需要改进和完善。

3．2 支护方案优化和具体效果

根据前文所述内容，要优化旧方案，可以采用顶板连续梁理论和高预紧长锚固技术，具体优化方式如下：

扩大加固圈，将深部围岩的性能作用充分发挥出来，对浅部的变形情况进行了有效的控制，进而实现了大小位移之间的相互联动，不仅可以提升承载全强度，还能增加承载全的厚度，使其可以对应力扰动进行有效的抵抗。

降低密度、提高效能。改变旧方案中的几何参数，包括间排距等参数。要从参数设计变为锚杆支护效能设计，进而提升支护效能，并且降低密度。

维持预应力。随着时间的流逝，预应力会逐渐变小，需要对锚杆进行多次加扭，这样才能确保锚杆具有较高的预应力，从而保障顶板连续梁的形成。

根据以上三个步骤，在实际施工的过程中，可以将设计方案更改为：顶板采用柔性锚杆，规格为Φ21.8mm×4000mm，同时配合钢筋网进行支护，每排都要使用锚杆，使用数量为4根，距离为1000mm；不仅要使用柔性锚杆，还要配合树脂锚固剂，分别采用CK2370号树脂和Z2370号树脂；配合钢筋网，网孔的大小为70mm；顶板钻研时采用的转头大小为Φ27mm，有效的锚固长度为2300～2400mm，同时在外部露出150～300mm。预拉力应该超过200kN。

将上文所述的优化方案应用在实验巷道之中，并在巷道中设置测站，测站数量为3个，利用十字测量的方式对围岩变形情况进行监测，明确支护方案优化前后的差异，了解新支护方案的支护效果。通过监测可知：在0～100m的掘进工作面中，两帮移近量呈现增长的趋势，具体为现行增长。在100～130m的工作面中，两帮呈现出稳定的效果，移近量在11～23m；在顶板与工作面相距0～130m时，下沉量呈现出增长的趋势，具体为现行增长，超过130m之后，顶板逐渐稳定，下沉量约为7mm。可见，采用优化方案之后，支护效果有了明显的提升，巷道围岩的变形情况得到了有效的控制。

4 结语

综上所述，在深部复杂地质条件下半煤岩巷快速掘进的过程中，需要采取有效的掘进技术、支护方式，这样才能确保掘进的效率和安全。可以利用顶板连续梁理论，不仅要对技术进行完善，还要采用新型材料，将原本的联合支护变为柔性锚杆支护，以此优化支护程序，使围岩变形情况得到有效的控制和改善。不仅如此，还要进行矿压观测，掌握矿压规律，为工作改进提供依据。