采矿工程采空区巷道掘进支护技术研究

陈 康

（山西煤炭运销集团野川煤业有限公司， 山西 高平 048400）

引言

随着国家对各种资源的大量需求，除了加大对石油的开采力度，也不断加强对国内煤矿资源的开采。将当前先进的支护技术及成熟设备应用到巷道支护中，提升煤矿巷道开采中的掘进支护可靠性及安全性，已成为当前老矿井的支护方式升级改造及新矿井支护方式设计建造中的重点考虑内容[1]。为此，结合山西野川煤矿矿井特点，对该矿井巷道的掘进支护方式进行了临时和永久性支护设计，针对巷道中的关键设备及施工过程进行了重点设计分析，最终对该巷道掘进支护进行了现场跟踪及记录，由此，验证了所设计的巷道掘进支护的可靠性及安全性，为提高矿井的作业安全提供了重要保障作用。

1 矿井基本情况

山西煤炭运销集团野川煤业有限公司是由晋煤重组办发〔2009〕44号文件批准的兼并重组整合矿井，位于高平市西北15 km处的野川镇境内。野川煤业总体为一走北东，倾向北西的单斜构造；沿倾向方向有幅度不大的波状起伏，中东部以走向北东的向斜构造为主，两翼地层平缓基本对称，倾角约3°～8°，总体地质构造简单，水文地质类型划分为中等，无冲击地压[2]。井田全部可采煤层为3号、15号煤层，11号煤层为局部可采煤层。矿井现采3号煤层，煤层平均厚度为5.39 m，保有资源储量为4 548万t，15号煤层保有资源储量为3 847万t，11号煤层保有资源储量为1 401万t。

另外，该煤矿中的矿井最大相对瓦斯涌出量为15.24 m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为29.91 m3/min，属高瓦斯矿井。矿井采用斜立井混合开拓方式，布置有主副两个斜井和一个回风立井，全部落底于3号煤层，通风方式为中央并列式[3]。井下布置一个采区，采区现布置一个3205综放工作面，一个3202切眼综掘工作面。掌握矿井工作面的具体情况，能更加有针对性地对矿井中关键分系统进行设计，以此保证整个矿井的安全可靠性。

2 巷道掘进支护方式的确定

2.1 巷道临时支护

结合野川煤业矿井的结构特点，选用了1套ZLJ-5.5机载装置对巷道进行临时支护。该设备的架设方法为掘进机完成掘割装煤作业后，将机组退至永久支护下，放下截割头并对机组进行闭锁，按下列程序操作进行临时支护[4]：先检查支护各部位零部件管路是否正常，再把两位三通阀打到支护位置，打开掘进机泵站开关，给临时机载支护供油，支护工将钢筋托梁和金属网妥当放在机载临时支护上，待支护工撤离至安全地点后，机组司机向前推动支护主架和顶梁架液压控制手柄，主架和顶梁架由折合状态，慢慢平稳打开，开到所需要的角度和位置再升主架，升到巷道顶板，将钢筋托梁和金属网压紧在巷道的顶板上，闭锁机载临时支护装置，然后作业人员站在临时支护下进行永久支护作业，打注完锚杆（索）后，作业人员撤出施工地点以外安全地点，机组司机先把主架下降到最低位置，再折合主架和顶梁架，合到顶梁架趴在掘进机上为止，把两位三通阀打到掘进机位置，进行下一循环掘进。当巷道遇到顶板留不住时，可在临时机载支护上方，放置道木与巷道顶板接顶。

整个巷道临时支护的工艺过程为：退机→截割头落地并闭锁机组→调整主架和顶梁架位置→闭锁机载临时支护装置→敲帮问顶找掉活煤（矸）→支护工抬钢筋托梁、金属网妥当放在机载临时支护上→支护工撤离至安全地点→机组司机向前推动主架和顶梁架到需要的角度和位置→抬升主架接顶严密→闭锁机载临时支护装置→闭锁掘进机→支护工在临时支护下进行永久支护作业→以此循环渐进进行作业。

2.2 巷道永久支护

巷道的永久性支护方式包括高强度锚杆、锚索、钢筋托梁、金属网联合支护。结合野川煤业矿井的结构特点，确定了巷道永久支护的工艺流程为[5]：临时支护后→安全检查（敲帮问顶后）→画眼位→锚杆钻机钻锚杆孔→清孔→安装锚固剂（先放一支MSK2335快速锚固剂，再放一支MSZ2360中速锚固剂）和锚杆→上锚杆托板、垫圈、螺母，升起锚杆钻机并用搅拌器联接锚杆钻机和锚杆尾部→用锚杆机搅拌锚固剂（91～180 s）→停止搅拌等待1 min后→进行二次转动锚杆钻机扭紧螺母→收缩锚杆钻机→用力矩扳手紧至设计值→安装其他锚杆。在支护中使用到的支护设备及工具包括：矿斧、手镐、大锤1把，铁锹3张，ZQS-50/1.6S型帮锚杆钻机、MS18-200/60型锚索张拉器、力矩扳手、气腿式钻机、锚杆钻机钻杆B19、锚杆钻机钻头Φ 28 mm或30 mm、MQT-120型风动锚杆钻机，YT-28风钻等。另外，在支护过程中，当工作面0.8 m循环时，永久支护距工作面迎头的最大距离≯1200 mm、最小距离≯400 mm，永久支护下锚索要紧跟工作面打注，不得滞后施工；当工作面1.6 m循环时，永久支护距工作面迎头的最大距离≯2 000 mm、最小距离≯400 mm，永久支护下锚索要紧跟工作面打注，不得滞后施工。

3 巷道掘进支护中关键过程设计

3.1 工作面中液压支架的选型设计

3.1.1 液压支架类型确定

液压支架作为矿井掘进支护中的关键设备，选择合理、匹配的型号设备，至关重要。由此，根据山西野川煤矿矿井的结构特点，选用ZY3400/8.5/18掩护式支架来实现对矿井的掘进支护。所选液压支架的设计最大控顶距为4.7 m，最小控顶距为4.1 m，工作面长为150 m，共需支架99架，支架型号为ZY3400/8.5/18，支架工作阻力为3 400 kN。该设备的主要参数如表1所示。

3.1.2 液压支架支护强度校核

综采工作面选取的液压支架额定工作阻力应符合以下条件：

式中：F为液压支架的额定工作阻力，kN；P为工作面的合理支护强度，0.36 MPa；S为端头液压支架的支护面积（最大控顶距×支架宽度）7.05 m2。

代入数据计算得F≥2 538 kN。

表1 ZY3400/8.5/18掩护式支架技术参数表

同时，综采工作面底板比压应符合以下条件：

式中：P底为底板岩石抗压强度，MPa；M为液压支架质量，9.3 t；S底为液压支架底座面积，3.3 m2。

代入数据计算得P底≥0.8 MPa。

根据表2内容对液压支架进行适应性比较，确定选择的支架满足支护要求。

表2 液压支架参数对照表

3.1.3 支护强度校验

现综采工作面液压支架型号为ZY3400/8.5/18，额定支护强度3 400 kN。故所选架型ZY3400/8.5/18（掩护式），能够满足采煤工作面顶板管理和安全生产需要。

3.2 锚杆锚索技术参数确定

巷道支护中锚杆类型有很多种，结合实际情况选择的锚杆类型为圆钢锚杆，锚杆直径为18 mm，长度为2 000 mm。同一排中锚杆之间的距离设置为850 mm，相邻两排锚杆的距离同样设置为850 mm。锚杆在安装时需要配合使用1支树脂药卷，具体型号为CK2340。此外还需要的配套装置包括拱形托盘和螺母，其中拱形托盘的规格尺寸为120 mm×120 mm×8 mm。锚杆的锚固力必须超过50 kN。顶板锚索采用的是钢绞绳锚索，其直径和长度分别为17.8 mm和8 000 mm。锚索的间距和排距全部设置为1 700 mm，即采用的是“2-1-2”的布置形式。锚索安装时需要配合使用2支树脂药卷，型号为CK2360，此外还需要使用工具托盘，托盘的规格尺寸为300 mm×300 mm×16 mm。为了确保锚索的锚固效果，要求锚索必须深入稳定层超过1 000 mm，锚索的锚固力需要超过200 kN，通过预应力安装，锚索的预应力超过150 kN。锚杆和锚索安装时全部与顶板保持垂直安装。

3.3 喷层厚度及其强度分析

在巷道围岩表面喷涂混凝土的目的，主要是避免巷道围岩出现风化问题，从而影响围岩的稳定性。我国颁布的规范标准中，已经对喷涂混凝土的厚度提出了明确要求。结合巷道围岩的实际情况，确定混凝土强度为C20，喷层厚度设置为100 mm，分两次喷射，第1次喷射厚度为50 mm，等到巷道围岩彻底稳定后再喷射50 mm[6]。

4 矿井现场支护效果评价

结合前文对山西野川煤矿矿井巷道掘进支护的设计，加上该巷道中其他分系统的整体设计及施工，完成了该矿井巷道的设计建造工作。为进一步掌握所设计的巷道支护方式的可靠性，对所建巷道的支护情况进行为期12个月的实际跟踪记录。在整个运行过程中，整个巷道的支护设备运行稳定，未出现明显异常，掘进支护工艺流程操作合理、支护效果显著，巷道中的顶板也未出现异常破坏现象。该项目实施后，整个巷道受影响区域缩小了80%左右，煤矿的开采量也同比增加了50万t左右，巷道因支护产生的故障问题减小了70%左右，给企业带来了将近1 000万的净利润收入，并有效提高了巷道作业过程中的安全性。由此，验证了所设计的矿井巷道掘进支护技术的可行性强，效果好。

5 结论

鉴于矿井巷道的环境相对恶劣、复杂，不断加强对矿井巷道掘进支护方式的优化升级设计，提升巷道作业过程中的支护效果及作业安全性，成为当前重要的研究重点。由此，结合山西野川煤矿矿井巷道的地质环境特点，对该煤矿巷道进行了临时及永久性支护方案设计，并对巷道支护过程中所涉及到的关键设备及工艺进行了重点设计，通过对该巷道现场支护效果的应用评价，得出所设计的巷道支护具有更高的可靠性及安全性，可有效提升煤矿的开采量，降低巷道的故障率，得到人员的一致认可，具有重要的实际应用价值和借鉴意义。