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1、复杂地质条件下全煤厚掘进技术实践李长青 范中轶【邯郸矿业集团生产部，河北 邯郸 056002】摘 要 通过巷道断面的设计思路变化，合理选择支护参数，扩大了锚、梁、网+锚索联合支护技术的适用范围，减少了巷道维护的工程量，提高了安全使用的可靠性，具有良好的经济效益和社会效益，在地质条件相似的矿区有很好的推广前景。关键词 断面设计 全煤厚掘进 锚、网、梁+锚索联合支护-前 言邯郸矿业集团现有七对生产矿井，主采煤层为2号煤，煤层厚度一般在3.04.3m，平均厚度3.7m，为较薄的厚煤层。由于矿区地质构造复杂，断层多，煤层顶板多为复合破碎顶板，造成巷道压力大，掘进、支护困难，需多次维修后方能满足使用。自
2、二十世纪九十年代推行锚、网、梁支护技术至2006年底，共施工了锚、网、梁支护巷道325km，锚杆支护率由上世纪的不足20%提高到近年的90%以上。锚杆支护技术极大地改善了邯郸矿区的支护状况，为实现综合机械化采煤方法创造了条件，为建设安全高效矿井奠定了良好的基础。近两年，随着矿井开采深度的加大，矿井地压显现越来越明显，普通的锚、网、梁支护技术已不能有效地支护回采巷道。我们针对复杂的地质条件，在较薄的厚煤层中进行了“全煤厚掘进技术”的研究与试验，通过千余米的巷道实践表明，支护效果得到明显改善，且经济合理。1 全煤厚掘进技术的特点传统的巷道设计理论是从巷道的使用功能入手，按照使用或运输设备的最大外形
3、尺寸，考虑安全间距后确定，从支架选型和经济原则考虑，一般不采用较大的巷道断面。“全煤厚掘进技术”的特点是，在保证安全的前提下，可以放大巷道的规格参数，且规格参数不是一个确定的数值，而是一个指定范围，其实质是“在较薄的厚煤层中，采用见顶见底的沿煤层全厚度掘进”的一种施工技术，要求巷道最低高度应满足使用要求，一般不小于2.8m，而巷道最大高度却可以达到4.3m。过去，巷道断面受支护材料性能制约，大断面巷道的技术经济效果不合理，施工技术难度也比较大，因而不可行。锚、网、梁支护技术普及以后，巷道不受支架尺寸的限制，在满足使用要求的前提下，断面可大可小，可以通过改变巷道规格尺寸的办法来适应各种地质变化，
4、因此锚、网、梁支护技术的推广应用为“全煤厚掘进技术”的应用提供了技术保证。随着邯郸矿区矿井开采深度的加大，地质条件变得越来越复杂，构造复杂，地压增大，加上煤层直接顶为复合顶板，节理发育，巷道地压的软岩特征越来越明显，巷道支护更加困难。例如郭二庄矿七、九采区，云驾岭矿一采区，陶二矿南采区，每架锚梁采用三根锚索加强支护，仍存在底臌、帮挤和顶板下沉的现象，尤其是底臌，具有变形量大、持续时间长的特点，巷道支护长期不能趋于稳定，巷道前掘后修，工程量很大。根据 “治顶先治帮，治帮先治底”的软岩支护原则，必须对底板进行治理，原回采巷道设计高度一般为2.6m，底板保留煤层厚度约1.5m左右，增加底角锚杆后仍不
5、能有效控制底臌。为此，我们在较薄厚煤层中，采用了巷道底板不保留煤体的“全煤厚掘进技术”。2 工程试验2005年，在郭二庄矿1275工作面运输巷掘进中，对采用不同断面及支护参数的支护效果进行了对比试验。巷道开口0200m采用原支护参数，200450m采用试验支护参数。2.1 地质概况1275工作面位于郭二庄井田七采区，呈一简单单斜构造，北部处于向斜轴部，煤层倾角223，该工作面走向长450m，倾斜长120m。沿2号煤层顶板掘进，煤层结构简单、稳定，煤厚2.604.30m，局部受断层或火成岩侵入影响呈沫状，硬度较小。伪顶为炭质页岩，松软，厚0.100.40m；直接顶为粉砂岩，胶结程度较差，下部炭质
6、含量高，局部有两层煤线，厚1.202.85m；老顶为细砂岩，坚硬，厚10.7014.10m；直接底为粉砂岩，上部炭质含量高，厚2.703.0m；直接顶、老顶均为裂隙含水层，最大涌水量10.0m3/h，正常涌水量2.0 m3/h。2.2 支护参数1275运输巷布置在2号煤层中，根据围岩分类结果，该工作面顶板属于类围岩条件。根据1273工作面成功经验及掘进过程中反馈信息，选取以下参数进行试验研究。设计巷道宽4500mm、高2800mm，当煤层厚度小于2800mm时，适当破底以保证巷道高度；当煤厚大于2800m时，沿顶、底板全煤厚掘进，巷道最高可以达4300m。（1）顶板支护参数锚杆采用直径22mm
7、、长2200mm的20MnSi左旋无纵筋螺纹钢，间排距750700（mm）。采用一卷S2360型和一卷Z2360型树脂锚固剂卷加长锚固。锚杆托盘为冷压碟形钢板，规格12012010（mm）。金属网用直径6.5mm钢筋焊接制成，网目为100100（mm），网片规格1500800（mm），破碎处增加金属菱形网。顶梁为用直径16mm圆钢焊接而成的梯子梁，长4500mm。锚索为直径17.8mm、长9300mm的高强度低松弛预应力钢绞线，外露长度200mm。用一卷S2360型和两卷Z2360型树脂锚固剂卷锚固。每架梁二、四间隔布置，紧跟迎头安设。锚索托盘用旧U型钢压制而成，规格400250（mm），外层
8、焊金属盘，规格1201208（mm）。顶板锚索布置如图1所示。图1 1275运巷顶板锚索布置示意图（2）帮支护参数锚杆采用直径18mm、长2400mm圆钢锚杆，间排距800700（mm）。用1卷Z2360型树脂锚固剂卷锚固。断面四角均安设锁角锚杆，锁角锚杆与水平面夹角3045，锚固点至少进入顶底板岩石内300mm以上。锚杆托盘为复合托盘。内为木托盘，规格20015050（mm）；外层为金属托盘，规格12012010（mm）。护网为直径6.5mm钢筋网，配以阻燃双抗塑编网护帮。锚索为直径15.24mm、长4300mm的高强度低松弛钢预应力钢绞线，间排距10001400（mm）。用三卷S2360型
9、树脂锚固剂卷锚固。锚索紧跟煤帮安设。帮锚杆采用点锚，不铺设帮梁。帮锚索配合横向梯子梁护帮，梯子梁用直径16mm圆钢焊接制成，长度2800mm。1275运输巷联合支护如图2所示。4根排顶板锚索为虚线；2根排顶板锚索为实线图2 1275运输巷联合支护断面示意图2.3 施工管理（1）锚杆支护钻具配置掘进工作面全部配备风动机具，包括：气动锚杆钻机、气煤钻、气动扳手。实现锚杆支护工艺过程的机械化和半机械化操作，避免人为因素造成的失误。现场应用中，风动扳手往往在使用一段时间后扭矩下降，达不到规定的技术要求，克服该缺点的办法，一是加强设备的保养检修，二是自制了长柄手动的预紧装置，在风动扳手能力达不到要求时，
10、使用手动装置实施补强预紧。（2）保证压风供应和供水压力在每个掘进工作面迎头管路上配齐风压、水压表，以便监督、观测。要求迎头风压不得小于0.5MPa，水压不得小于0.4MPa。同时加强对气、水管路的管理，杜绝跑风、漏水现象的发生。（3）钻杆长度与钻孔深度合理配套钻杆长度的选择必须与巷道高度、钻孔深度结合起来统筹考虑，保证在施工时换钻杆次数不超过两次。钻杆的总长度不得超过孔深的100mm。顶板锚杆长度2200mm，则选用一根长1200mm的钻杆，然后使用长2300mm钻杆两次钻进到位。帮锚杆使用一根2400mm的钻杆，一次钻进到位。帮锚索使用一根2400mm和一根4000mm的钻杆，两次钻进到位。
11、（4）三径匹配钻孔直径、锚杆直径、树脂药卷直径的合理匹配，是保证锚杆支护结构整体达到最佳支护状态的基础。对匹配不好的帮锚杆、帮锚索采取焊铁箍和端头加绕铁丝等措施来保证锚固力符合要求。（5）提高支护工艺水平，保障支护效果的两个关键：其一，锚杆支护的关键在于破岩（落煤）的同时如何保护围岩的稳定，这是锚杆支护工艺的技术基础，也是锚杆支护能否成功的关键。松软煤层，裂隙发育，爆破后的成型难以控制。为保证煤帮平直和稳定，采取爆破预留、手镐修边的成型方式。两帮炮眼布置成“倒八字”形，爆破后，上边宽度达到断面要求，为及时上顶梁和支护顶板创造条件，巷道两帮下部每帮预留煤体500mm，以保证巷帮的稳定。其二，锚杆
12、支护工艺关键在于及时支护。顶板揭露后，由于自稳时间较短，需要在顶板揭露后最短的时间内，对顶板实施支护；顶板支护完毕后，煤帮分台阶刷够巷道宽度，分步支护，顺序是先上后下。一般上、下帮的最上12根锚杆紧跟迎头打设，其余滞后顶梁12个循环支护，以达到平行作业的目的。锚索及时张拉，距工作面迎头不超过一个梁距。在顶板十分破碎，自稳时间短，稳定性差，无法按正常顺序实施锚杆支护时，采用增加超前点锚杆的办法处理。3 支护效果分析比较3.1 1273运巷的破坏分析一般条件下，煤巷设计均为沿煤层顶板布置，断面大小以能满足使用要求为原则，因此， 1273运巷的断面设计宽为4500mm、高2700mm，底板保留了厚度
13、约1500mm的煤体。由于郭二庄矿127采区位于向斜轴部，存在较大的水平应力，巷道开挖后围岩受原始应力和构造应力共同作用而产生变形破坏： 底板煤体主要受水平载荷作用，由于煤体泊松比明显大于岩石而发生侧向变形，形成附加水平载荷作用在底煤上。底板煤体在水平载荷作用下发生剪切扩容，出现松动、强度降低，从而向巷道空间产生位移，造成底臌，减少了巷道使用空间；两帮在应力重新分布后的垂直应力和水平应力作用下将出现塑性变形区,由于剪切扩容效应,煤体会发生侧向膨胀,但由于受锚网支护的约束，不至于发生松塌、片帮，只能随支护体共同向巷道内挤压。 多次卧底后，底板煤体塑性变形区继续向下扩大直至煤层底板，两帮煤体由于约
14、束的减弱，再加上煤层与底板之间的弱面因素，会更快地向巷道空间滑移，随着滑移面剪切错动的增大，煤体对顶板的支护作用逐渐降低，最终导致支护体的整体失稳。 实际生产中采取了补打顶部锚索、套矿工钢支架等措施，仍不能满足使用要求。3.2 变形观测及支护效果巷道围岩表面位移是评价巷道支护效果的重要指标, 该次试验沿掘进方向依次布设了8个测站,测站间距50m左右，前3个测站位于对比段，后5个测站位于试验段。巷道表面收敛采用十字形布点法,主要观测巷道表面位移情况。巷道两帮、底板变形量的变化情况如图3所示。图3 试验段及对比段帮收缩量和底臌量变化情况曲线图由图3可知,巷道围岩趋于稳定时间一般为15天以上，之后，
15、巷道两帮仍将有一定的变形量，一般为35mm/天，底臌速度一般为510mm/天。虽然存在一定的变形量，但因为设计预留了较大的变形量，经简单维护后可以保证安全使用。4 全煤厚掘进技术分析（1）技术优点 由于不保留底板煤体，减弱了底板的臌起现象，同时也减少了巷帮的变形量，有效提高了巷道的支护效果； 虽然仍存在一定的变形量，但因预留有较大的变形量，避免了反复卧底对整体支护的破坏，通过简单维护可以保证巷道的安全使用，避免了反复卧底对整体支护的破坏； 工作面回采时，避免了两巷三角煤的丢失，提高了煤炭资源的回收率； 较大的断面，为运巷使用转载机、破碎机等大型设备提供了方便； 较大的断面，减小了通风阻力，为工作面通风创造了更为通畅的风路； 减少了反复维修巷道的工程量，节约了人力、物力，提高了经济效益。（2）存在问题 由于煤帮高度的加高，增加了巷帮的支护面积，为提高煤帮稳定性增设了帮锚索； 考虑三径匹配问题，帮锚索可以改为17.8mm大直径锚索； 考虑顶板掉小块对安全的威胁，支护增加了金属网或塑料网对顶板进行封闭。 鉴于煤体比较松软，对治理帮收敛量效果不太理想，可增加锚索锚固长度和锚固深度，以控制两帮收敛量。邯郸矿区已把“全煤厚掘进技术
