弱粘结易冒落顶板巷道快速掘进关键技术研究

弱粘结易冒落顶板巷道快速掘进关键技术研究

唐建强

（四川省煤炭产业集团有限责任公司 四川  成都 610091）

摘  要：龙滩煤矿弱粘结易冒落顶板半煤岩巷为工程背景，针对巷道弱粘结顶板岩层组合变化大、易冒顶漏顶等问题，研发掘进工作面强力掩护装备，并形成异常区破碎煤岩体快速注浆加固装置、岩层组合劣化区锚杆锚固力增效防衰减技术等快速掘进协同保障技术。研究成果可有效提升弱粘结顶板巷道掘进支护速度，对于缓解矿井紧张采掘关系具有实际意义，是提升掘进工作面智能化的重要基础。

关键词： 弱粘结；易冒落；巷道；掩护装备；掘进  

川煤集团华荣能源龙滩煤电公司，位于四川省广安市前锋区小井乡境内，襄渝铁路、渝渠公路横穿矿区，交通运输十分便捷。矿井煤炭资源丰富，拥有地质储量8700万吨，煤种属焦煤和焦瘦煤，是优质的动力煤；煤层构造简单、稳定，赋存条件好，具有建设高产高效、综合机械化矿井的独特条件。龙滩矿井年设计生产能力为150万吨，是四川省首个智能化开采矿井，西南地区一流的现代化安全高效矿井，也是国家一级安全生产标准化煤矿，进入全国首批智能化建设示范煤矿行列。

1.背景及意义

龙滩矿多年来一直致力于智能开采，进行了大量科技攻关和实践。目前，该矿已建成了第一个智能采煤工作面，矿井回采工作面智能开采技术已逐步完善，对于保障矿井安全、提升生产效率、减轻工人劳动强度、促进矿井标准化等方面具有现实意义。掘进工作面自动化、智能化是龙滩矿面临的又一重大课题，巷道快速掘进是掘进工作面智能化的重要组成部分。龙滩矿面临的主要问题如下：

（1）煤层顶板条件复杂，为弱粘结易冒落顶板，岩层组合变化大，个别区域存在冒顶隐患，工人作业心理压力大。同时，掘进工作面迎头小冒顶、漏顶频发，影响了施工进度和顶板控制质量；（2）回采巷道采用沿空留巷方式，支护密度相对较大，受困于迎头顶板质量，支护作业量超过总施工时间的60%；（3）掘进工作面智能化理论及技术尚处于起步阶段，可借鉴的成熟技术不多，虽然现有设备结构强度、动力大，正常区域施工速度显著提升，但多数设备与该矿回采巷道施工特点和矿压显现特征不适应，主要表现为顶板主动控制效果差、异常区域不灵活、保障系统复杂等；（4）构造区、岩层组合劣化区等异常区段，顶板破裂深度大、存在锚固力衰减现象、片帮频发，需反复维修补强，进一步制约了巷道快速掘进。

龙滩矿采煤工作面高效回采条件下，龙滩矿回采巷道掘进速度慢，即便采用沿空留巷方式，也还是接替紧张，制约了矿井高产高效。因此，提出弱粘结易冒落顶板巷道快速掘进关键技术，是龙滩矿亟需解决的现实问题。

2 巷道围岩破坏机理与稳定性分析

2.1  回采巷道掘进工作面顶板稳定性理论分析

若岩层力学结构形式的承载能力大于其应力水平，则该岩层处于自稳状态，并可认为在应力小于其长时承载能力时，该岩层将是永远稳定的，其变形也不会进一步发展；当该岩层的力学结构形式的承载能力小于其应力时，结构发生破坏，岩层进入稳定调整状态。即岩层的力学结构形式控制着该岩层变形机制、破坏机制；在一定的应力条件下，其承载能力决定着该岩层的稳定性。

自然赋存的岩层存在节理裂隙等各种软弱结构面，以完整岩板和完整岩梁形态赋存的岩层极为少见，而且，在巷道开挖后的应力调整过程中产生的高集中应力使得锚固范围内完整岩梁极易破断，事实上，自然赋存的块体梁可以看作高应力使得岩梁破断的结果。在一定条件下，这种块状岩层能够形成外形似梁实际是拱的平衡岩梁结构。

将龙滩矿掘进工作面顶板浅部岩层视为一种块体梁结构，上覆岩层主要为层状砂岩或砂质泥岩，顶板受节理裂隙面切割成不同尺度的块体，可视为多块体岩梁结构。通过模拟计算，块体梁的水平支反力与块体数量没有关系。而，掘进工作面顶板稳定性即极限跨距与顶板岩层的力学参数以及巷道断面尺寸关系密切，如弹性模量、单轴抗压强度、抗拉强度，巷道宽度等。通过改变顶板岩石力学性能，可提高巷道极限跨距，增强巷道顶板的稳定性。

2.2回采巷道掘进工作面顶板稳定性分区

依据312采区掘进工作面顶板稳定性计算结果以及数值模拟分析结论，同时结合矿方地质资料，对312采区回采巷道掘进工作面顶板冒顶危险区进行了分级，按照冒顶风险划分为5类，如图2-1所示。

图2-1 312采区巷道顶板冒顶危险区分级

如上图所示，312采区冒顶危险级别为Ⅰ、Ⅱ级的顶板约占矿区总面积56%，主要分布于井田南部；中部以Ⅲ、Ⅳ冒顶级别为主，分别占总面积的21%、13%；东北部以Ⅴ级为主，分别占总面积的10%。不同冒顶级别区巷道顶板岩层柱状如图2-2所示。

图2-2顶板岩层柱状图

龙滩矿312采区掘进工作面顶板稳定性分析表明，掘进工作面循环进尺最大不应超过2.4m，对于Ⅰ、Ⅱ级稳定性顶板区域要防止小冒顶，加快掘进速度；Ⅲ、Ⅳ类顶板区域防止大冒顶，加大支护密度，严格控制悬顶距离，保障施工安全；Ⅴ类顶板必须进行加强支护，小心掘进，此部分研究结论可为掘进工作面漏顶片帮治理以及快掘强力掩护装备关键结构参数设计提供重要理论依据。

对312采区回采巷道掘进工作面顶板冒顶危险性进行了分级分区，312采区冒顶危险级别为Ⅰ、Ⅱ级的顶板约占矿区总面积56%，主要分布于井田南部；中部以Ⅲ、Ⅳ冒顶级别为主，分别占总面积的21%、13%；东北部以Ⅴ级为主，分别占总面积的10%，为掘进不同区域巷道及时调节掘进技术参数，保证巷道掘进速度，提供重要理论支撑。

3现场工业性试验

3.1 试验巷道概况

龙滩矿3122N机巷的基本顶为中厚层状粉晶灰岩（f=10～12），平均厚度20.48 m；直接顶为砂质泥岩及薄层砂岩，f=6～8，平均厚16.28m；伪顶岩性为炭质泥岩，f=4～6，厚度为0m～0.5m。工作面底板分为直接底、基本底两大类，其中直接底泥岩、砂质泥岩、砂岩，f=4～6，厚度约为3.71m；基本底岩性为铝质泥岩，f=4～6，厚度约为2.29m。

3122N机巷顶板采用锚网+钢筋梯+锚索支护，顶板锚杆采用直径20mm，长2400mm左旋螺纹钢树脂锚杆，间排距800mm*800mm，锚索采用直径15.24mm，长9.2m钢绞线锚索，帮部锚杆采用直径16mm金属涨壳式锚杆，间排距800mm*800mm，支护参数如图3-1所示。

（a）支护断面图（b）支护剖面图

图3-1  3122N机巷支护参数示意图

由于巷道顶板岩性差，且留巷需要较高支护密度，但巷道个别区域存在冒顶隐患，掘进工作面迎头小冒顶、漏顶频发，严重影响了施工进度和顶板控制质量。巷道时常过构造区、岩层组合劣化区等异常区段，顶板破裂深度大、存在锚固力衰减现象、片帮频发，需反复维修补强，进一步制约了巷道快速掘进。鉴于以上因素，选取龙滩矿3122N机巷作为井下工业性试验地点。

3.2 施工工艺

3122N机巷为弱粘结易冒落顶板，根据巷道顶板分类，主要以Ⅲ、Ⅳ类顶板为主，Ⅲ、Ⅳ类顶板悬顶距离较小，稳定性较差，比较破碎，小漏顶、冒顶等现象时常发生，严重影响了巷道施工速度。鉴于此种情况，为了有效地防止弱粘结易冒落顶板冒顶、漏顶及片帮现象的发生，保证巷道锚杆（索）的正常施工，加快巷道掘进速度和施工质量，采用可重复快速注浆片帮控制技术，如图3-2所示。

而通过此类装置及方法，有效地解决了3122N机巷掘进工作面漏顶片帮的问题，保证了巷道正常的施工。

（a）可重复使用注浆封孔器（b）现场注浆图

图3-2现场注浆图

受弱胶结复合顶板岩性以及地质构造区域影响，进行锚杆支护时，往往会出现锚固力不足、锚固失效及锚固力衰减过快等状况。为提升锚杆锚固效果，提高弱胶结复合顶板巷道支护质量，对3122N机巷应用研究的锚固力增强及防衰减技术装置，进行锚杆（索）施工。其中双扩孔装置具体方法为：将锚杆孔钻打到设计深度后，退出钻头，将安装有双翼扩孔装置的钻杆推入孔底，连接钻机进行扩孔。在钻进旋转推进过程中，扩孔装置内的推杆将刀具逐渐推开，刀具将进行有效切削孔底煤岩，直至推杆完全被推入；钻进停止推进，推杆在内部弹簧作用下被弹出，刀具进入刀具槽内退出孔外，完成孔底扩孔任务，该装置使用过程及现场扩孔效果图如图3-3（a）、（b）所示。

（a）锚固孔扩孔现场应用        （b）扩孔效果

图3-3现场施工图

为了有效解决龙滩矿临时支护工人工作量大、施工效率低的问题，同时为了杜绝工人恐慌，使其可安心支护，在龙滩矿掘进工作面应用了自主研发的快掘强力掩护装备，巷道掘进工艺主要包括：安全检查→割煤出煤→退掘进机→移自移支架临时支护→永久支护→退自移支架→清浮煤→延皮带→检修和防突→运料。每班进班后，由跟班队长对作业地点进行安全检查，掘进机司机确认设备完好后，联系皮带机司机开启皮带机，启动掘进机至碛头进行切割出煤。待完成一个循环进度后，将掘进机退后至自移支架尾部，对掘进机及皮带停电闭锁。启动乳化泵，自移支架操作人员操作组合操作阀，迈步移动自移支架。经几次重复操作，自移支架移动至掘进面，降支架，作业人员站在自移支架下方将钢筋网铺设在前顶梁上方并用铁丝连接好，升支架，完成掘进面顶板临时支护，掘进过程中单循环进尺内装备主要动作如图3-4（a）~（d）所示。

（a）支撑单体液压支柱下降抬升滑轨          （b）推溜千斤顶收缩移动滑轨

（c）前梁及顶梁下降准备移动底座           （d）推溜千斤顶伸出推移底座

图3-4单循环进尺内快掘装备装备主要动作现场图

3.3 施工效果观测

（1）观测目的

巷道两帮及顶板内部相对位移是指围岩的内部多点间的位移量，深基点位移监测的主要目的是判断围岩的松动范围，为合理选择锚杆支护参数提供依据。由于巷道开挖后顶板围岩应力发生转移、集中，层状顶板下位岩层变形后容易发生离层破坏，产生事故隐患，顶板不同深度围岩位移观测可以掌握离层破坏区域等情况。两帮不同深度围岩位移观测可以掌握两帮围岩松动圈变化、形成过程和形态特征，了解两帮煤体的塑性区分布，判断支护效果，并为锚杆（索）长度参数的优化、为确定锚杆的合理长度和应力分析获得基础现场数据。

（2）观测原理

煤帮变形范围一般为巷道半径的3~5倍范围，在每一测站的巷道两帮分别施工一个φ28钻孔，安设不同深度的观测基点。

（3）观测仪器

观测仪器采用深基点位移自动记录仪，该仪器可以设置3个不同的观测基点。

（4） 现场测试结果分析

3122N机巷顶板围岩变形曲线，如图3-5所示。

（a）测站1顶板深部位移（b）测站2顶板深部位移

图3-53122N机巷顶板深部位移监测曲线

由图3-5可以看出，在观测期间，顶板下沉量在33~73mm之间，测站顶板变形主要集中在0-2m的浅部围岩，沿空留巷整体稳定性较好；从变化趋势上看，留巷初期围岩变形量变化速率较大，成巷60~70天以后，围岩变形量变化速率逐渐减小，围岩变形趋于稳定，表明支护效果良好。

在龙滩矿3122N机巷进行锚杆锚固力测试验，试验共进行6个锚固力检测试验，将孔底扩孔后的锚固孔进行锚杆安装，所使用的树脂锚固剂数量相同，均采用1根MSK2335和1根MSZ2360进行锚固试验，1h后分别进行拉拔试验，试验结果如表3-1所示。测试结果表明，应用了锚固力提升及防衰减技术后的锚杆锚固力有了明显提升，锚固效果均良好，较原有同等围岩条件下普通锚杆支护时相比，锚固力提升近20%。

表3-1锚杆锚固性能

采用传统单体支柱+枕木方式进行掘进工作面临时支护时，3122N机巷掘进循环进度为1.8m，月掘进进尺约150m。项目实施后，使用快掘强力掩护装备代替原有临时支护，经现场调试运行，操作人员能熟练操作自移支架，因支架护顶面积大、效果好，3122N机巷掘进循环进度提高到为2.4m，可见使用快掘强力掩护装备比传统单体支柱+枕木方式临时支护时掘进循环进度提升了近40%，加快了巷道施工速度。

煤巷超前自移支架入井安装、调试，剔除矿井年度检修和掘进机设备配件损坏更换时间影响，3122N机巷掘进工作面折算进尺分别为203.7m和190m。3122N机巷掘进工作面使用快掘强力掩护装备期间掘进进尺统计见表3-2。

表3-2 掘进进尺统计表

综上，快掘强力掩护装备具有操作简单，安全可靠、省时省力、顶梁支护范围大、护顶效果好的优点。项目实施后，煤巷掘进工作面循环进度达到2.4m，正常掘进情况下月进尺达200m以上，每年可多圈回采煤量约23万t，与同类地质条件矿井煤巷掘进相比，巷道掘进速度提升了20%~40%，可为同类地质条件矿井煤巷掘进临时支护提供经验。

3.4 结论

对龙滩矿弱粘结易冒落顶板巷道快速掘进关键技术进行了井下工业性试验，得出以下结论：

（1）通过在3122N机巷运用可重复快速注浆技术、锚杆锚固力增强防衰减技术等相关技术，掘进工作面漏顶片帮情况明显得到了控制，大幅度提高了3122N机巷围岩的稳定性，进而减少或者杜绝巷道的补强与返修；

（2）运用快掘强力掩护装备，使巷道在掘进过程中，经过正常区域时，掘进速度比一般情况下提升了20%~40%，在构造破碎带、应力异常带等区域掘进速度比一般情况成倍提升。

作者简介：唐建强（1982-），男，汉族，重庆南川人，高级工程师，现就职于四川省煤炭产业集团有限责任公司，从事煤矿开采技术和安全管理工作。

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