遗留煤柱切眼边扩边安技术优化的实践

2022-06-28闫腾腾

山西焦煤科技 2022年5期

常盛，闫腾腾

(1.山西焦煤西山煤电屯兰矿，山西古交 030200; 2.山西焦煤西山煤电西曲矿，山西古交 030200)

在煤炭开采过程中，需要对原有的工作面切眼进行扩帮支护。在扩帮过程中，传统的一次扩帮技术因巷道跨度较大、顶板暴露时间过长而出现垮落失稳，无法保证切眼扩帮期间的顶板稳定性，并可能影响巷道的通风、行人和运输安全[1]，给后期设备安装带来困难。相较于正常回采工作面的切眼，遗留煤柱的切眼处于围岩应力叠加区域，传统的扩帮方式可能造成顶板破碎甚至冒顶等严重安全事故[2]，更需对切眼扩帮作业进行工艺技术优化。

西曲矿为实现工作面切眼安全高效扩帮及安装，并有效对顶板进行支护，决定采用边扩边安+侧卸式装岩机+皮带拐弯装置的组合优化方式，创新边扩边安工艺，实现施工的安全和高效。

1 工程概况

西曲矿14307工作面上覆2.3#煤12308、12309工作面采空区，2.3#煤与4#煤层间距3.1～6.7 m，并且工作面下伏18305、18306工作面蹬空区，4#煤与8#煤层间距约35 m，工作面切眼示意图见图1，工作面综合柱状图见图2.

图1 14307工作面切眼示意图

图2 14307工作面地质柱状图

2 边扩边安方式优化

2.1 扩帮前工作面切眼支护方式

切眼掘进施工时根据与上覆2.3#煤工作面采空区层间距情况采取了纯锚支护和架棚支护两种方式，其中：

层间距大于5 m时采用纯锚支护(切眼里程85～126 m)：巷道断面为矩形，宽4.4 m×高3.0 m.采用锚杆+锚索+钢筋梯梁+钢筋网支护。

层间距3.2～3.5 m时采用架棚支护(切眼里程0～85 m，126～185 m)：巷道断面为梯形，采用铁棚+锚索联合支护。锚索呈矩形布置，每架棚子间打设4根，间排距0.9 m×1.0 m.

2.2 传统扩帮方式

按照传统先施工小断面切眼然后再扩帮的方式，扩帮段采用锚杆+锚索+点柱支护，顶锚杆为矩形布置，间排距为0.85 m×1.0 m，扩帮段补打一排顶锚索，锚索间排距为2.0 m×2.0 m；扩帮段帮锚杆为矩形布置，间排距为1.0 m×1.0 m；打设带帽点柱两排，间排距为2.9 m×1.0 m，当顶板有裂隙发育或不完整时补挂1 200 mm×1 700 mm的钢筋网。

2.3 边扩边安施工时工作面支护及安架方式

2.3.1 扩帮段为纯锚巷道

扩帮段为矩形巷道时，采用锚杆+钢带+单体支护，单体打设超前扩帮段5 m；顶锚杆为矩形布置，间排距为1.05 m×1.0 m；帮锚杆为矩形布置，间排距为1.0 m×1.0 m，第一排帮锚杆距顶板0.3 m；每隔2 m在扩帮区域顶板打设一根钢带。当顶板有裂隙发育或不完整时补挂1 200 mm×1 700 mm的钢筋网。顶板破碎或压力大时扩帮距离不超过4.5 m(3架)，支护形式见图3.

图3 纯锚段扩帮支护示意图

安架时，使用机头绞车将支架运输至工作面道头卸车，准备掉向摆架前取回影响支架安装的单体，然后利用机头绞车进行拉架和摆架，同时利用支架本身推拉装置的伸缩来调整支架的前后位置，两者相互配合直至将支架安装入位，见图4.

图4 纯锚段安架示意图

2.3.2 扩帮段为架棚巷道

扩帮段为架棚巷道时，首先使用钢带(顶板破碎时使用工字钢吊梁)固定棚梁，之后拆除扩帮侧棚腿。扩帮区域巷道采用锚杆+钢带支护，顶锚杆为矩形布置，间排距为0.95 m×1.0 m；帮锚杆为五花形布置，间排距为1.0 m×1.0 m，第一排帮锚杆距顶板0.3 m.每隔2 m在扩帮区域顶板打设一根钢带。当顶板有裂隙发育或不完整时补挂1 200 mm×1 700 mm的钢筋网。顶板破碎或压力大时补打顶锚索，此时扩帮距离不超过4.5 m(3架)，支护形式见图5.

图5 架棚段扩帮支护示意图

安架段为架棚支护段时，首先使用机头绞车将支架运输至工作面道头卸车，利用机头绞车进行拉架和摆架，同时利用支架本身推拉装置伸缩来调整支架的前后位置，两者相互配合直至将支架安装入位。

若扩帮段内顶板破碎或压力大时，需将待安架前一台支架进行降架，之后插入一根4.5 m长工字钢挑起架棚段内棚梁，保证原有棚梁端头(煤壁侧)和挑梁端头(机尾侧)必须打设单体，维护好顶板后利用机头绞车进行拉架和摆架，同时利用支架本身推拉装置的伸缩来调整支架的前后位置，两者相互配合直至将支架安装入位，架棚段安架示意图见图6.

图6 架棚段安架示意图

3 边扩边安配套设备的使用

3.1 侧卸式装岩机

由于作业环境空间和工序限制，14307工作面切眼边扩边安施工中无法使用大型出渣设备，只能靠人工清渣至40 T刮板输送机的出渣方式，为了安全高效地进行作业，引进了侧卸式装岩机。

煤矿用侧卸装岩机，是一种高效率装载机械，具有插入力大、机动性好、装载功能强、全断面作业、安全性好、一机多用等特点，能显著减轻劳动强度。除此之外，该设备还可以为掘进工作面提供临时支护，实现短距离运输、拉底、扩帮等[2].

现场使用后，出渣效率明显提高，并减少了人力投入及劳动强度，使扩帮工作高效、顺利进行。以往一次扩帮每班运输沿线需4人开设备(两部胶带输送机、转载机、刮板输送机各需1人)，打设超前支护吊梁需要3人，打眼放炮、出渣、打设顶帮锚杆至少6人，共计13人才能保证每天扩帮6 m，出渣占用大部分时间和人力。使用侧卸装岩机出渣后，除操作设备的4人外，打眼放炮后仅需2人出渣，1人操作装岩机，1人看护电缆，其余人员可以进行超前维护打设钢带或打设顶帮锚杆，检修班每天对刮板输送机加4节溜槽，仍能打眼放炮扩帮2 m，圆班平均扩帮进尺达5 m以上，每班仅需9人。

3.2 皮带拐弯装置

14307工作面切眼扩帮采用侧卸式装岩机配合刮板输送机装煤至皮带输送机，再由皮带输送机运渣至北翼2#溜煤眼至北翼二部皮带巷的方式出渣。在皮带搭接处使用了胶带拐弯装置，较传统施工过程有明显的优势。该拐弯装置可实现小角度快捷转换，减少了中间机头机尾环节，实现安全高效作业[3]；减少了机头机尾硐室的掘进施工工程，并且可反复使用，降低运输成本; 结构简单、承载力大、性能稳定、安全可靠、维护简单方便，提高了安全效果和生产效率。

4 施工效果

使用优化后的边扩边安技术后，通过对安装在14307工作面切眼的4个顶板在线监测仪记录分析了顶板的变化情况，2021-10-31 T 0:00至2021-12-31 T 23:59监测情况见表1.

表1 顶板在线监测仪数据统计表

从表1可以看出，14307工作面切眼在使用边扩边安技术扩帮后，顶板位移变化最大值为1.93 mm，并且在1个月后变化趋于稳定，巷道围岩稳定，从现场情况来看，未发生片帮、离层等现象，效果良好。

5 工艺创新点

采用边扩边安技术，与整个切眼一次扩帮完成后再安设支架相比：

1)可有效减少顶板暴露的面积，保证了施工安全。

边扩边安技术与整个切眼一次扩帮成型相比，减少了顶板的暴露面积和时间。顶板条件较好时，支架至未扩帮段最大距离不超过8 m(6架)；顶板破碎或压力大时支架至未扩帮段距离不超过4.5 m(3架)，即开始安架。

2)提高了施工效率,减轻了劳动强度，减少了作业人数，缩短了工期。

使用边扩边安+侧卸式装岩机+皮带拐弯装置的组合优化方式，使扩帮+安装支架的工期有效缩减。14307工作面切眼边扩边安共施工35天。按照传统的切眼扩帮方式，4#煤工作面切眼每天可扩帮8 m，186 m长切眼扩帮需26天，安装支架按照每天12架计算需15天，传统扩帮安架方式需41天，工期缩减了6天。

每班扩帮的作业人数由13人缩减至9人，能够减少出渣时间和人力投入，同时也降低了人工清渣的劳动强度，使扩帮工作高效、顺利的进行。

安装一队早班根据扩帮距离安架，利用二班时间运输支架，综采准备队二班和夜班进行沿线设备检修及扩帮，两队互不影响，利用运输时间进行扩帮，待设备运到位后，扩帮段即可安设支架，既交叉作业又平行作业，充分利用了时间和空间，使该项工程稳步、高效地向前推进。

3)可根据现场支架安装需求调整扩帮，施工灵活，减少了工程量。

传统的一次扩帮方式，如果安装过程中遇到切眼宽度不够或起伏不平处，需人工扩帮或拉底，效果不理想，既增加了劳动成本，又耗费了安装时间。边扩边安技术的应用，使得安装、扩帮同步进行，现场可根据设备的不同、地形的变化随时调整扩帮尺寸、安装距离，更好地为安装服务，确保整个工作面安装顺利完成。

此外，边扩边安方式减少了工作面机尾采机滚筒硐室的个数，以往切眼一次扩帮成形，遇机尾段顶板破碎时常采用架棚支护[4-5]，采机滚筒硐室只能距机尾一段距离打设2个，随着边扩边安的应用，即使机尾段顶板破碎，支架可及时安装并维护顶板，副巷可天然成为1个采机滚筒硐室，另一个只需布置在距机尾10 m处即可，节约了人力、物力的投资，而且方便了后期采机的安装。

4)减少了材料投入，降低了成本。

14307工作面切眼长度186 m，其中，纯锚巷道42 m，架棚巷道144 m.采用传统扩帮方式，将消耗大量锚索、锚杆及木点柱，需42.6万元；采用边扩边安方式后，取消了木点柱和锚索，并降低了锚杆支护密度，需10.5万元，共计节省成本32.1万元。