煤礦掘進巷道超前支護方式的應用及選擇

　　巷道掘進是煤礦生產的重要生產環節。“采掘并重，掘進先行”，巷道的快速掘進是保證礦井高產穩產的關鍵技術措施。掘進技術及其裝備水平直接關系到煤礦生產的能力和安全。以懸臂式掘進機為主體的高效機械化掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件。近年以來，隨著能源結構與增長方式調整，煤炭產能嚴重過剩，煤炭經濟運行形勢日趨嚴峻，采掘失調、煤巷掘進速度偏低的突出問題愈加嚴重，礦井開采準備周期長，時間和經濟成本高。為實現煤炭企業安全高效生產和低成本運行，因此，突破煤礦巷道掘進及超前支護技術成為關鍵性問題。
　　1概述
　　某煤礦位于某市西部、西山煤田東北部，距某市五一廣場19.8km。井田西北與西銘礦相連，東南與官地礦接壤，東北以9#煤層露頭為界，西南與邢家社普查區相鄰，形態大致為NE—SW走向的長方型，長約10km，寬約6.48km，面積69.7km2。本研究通過對該礦山巷道支護與掘進方案進行設計，為提高該礦巷道掘進安全性和進度提供參考。
　　2掘進技術
　　2.1懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配套作業線
　　現階段我國煤巷仍舊以懸臂式掘進機為主，配套設備主要由懸臂式掘進機、單體錨桿鉆機、橋式轉載機、帶式輸送機組成。該作業線操作靈活，適應性好，適用于單巷掘進，應用最為廣泛。懸臂式巷道掘進機由主機以及配套設備組成。在切割巖石破落之后，通過轉運機構將其傳遞至尾部，之后利用運輸機將巖渣送走。在進行切割的過程中，可以滿足任意形狀斷面的需求，并且還可以保證較高的精確度，有利于后續支護。該設備對于復雜地質條件具有極強的適應力，可以方便的進行轉彎與爬坡，主要是用于采煤準備巷道的掘進，也可以在其余巷道施工中應用，并且巷道斷面可以是任意形狀。但掘進和支護不能平行作業，以犧牲掘進時間為代價，掘進速度較慢。
　　2.2連續采煤機與錨桿鉆車配套作業線
　　連續采煤機與錨桿鉆車配套作業線配套設備由連續采煤機、梭車、給料破碎機、帶式輸送機、四壁鉆桿鉆車、鏟車組成。該作業線需要交叉換位施工，適用于巷道條件較好的大斷面雙巷或多巷，掘進速度快，但對地質條件要求較高，僅在我國神東榆林部分礦區得到應用，適應范圍局限。
　　2.3掘錨機組掘錨一體化掘進
　　掘錨機組掘錨一體化掘進配套設備由掘錨機組、橋式轉載機、轉載破碎一體機、帶式輸送機組成。該作業線實現了掘錨平行作業，適用于巷道斷面大的單巷掘進，掘進速度最快，在適宜地區能夠顯著提高掘進效率，但對地質要求較高，使用范圍受到限制。
　　3巷道支護方案優化設計
　　3.1超前支護方案設計
　　本研究設計采用超前錨桿支護方案。首先將超前錨桿打入巷道掘進前方穩定巖層內，末端支承于拱部圍巖內專為超前錨桿提供支點的徑向懸吊錨桿，爆破前，在巷道幾何尺寸要求的外圍約200mm的井巷輪廓線外，每隔800mm間距打注1個20mm×2000mm螺紋鋼錨桿，角度與巷道前進方向成45°夾角，錨桿尾部使用調心球墊和300mm×300mm（長×寬）木托板，錨桿端頭使用1支MSCK2360型和MSK2380錨固劑，實現全長錨固，錨桿預緊力不宜小于200N·m。放炮前，有必要逐根檢查錨桿預緊力大小。放炮炮眼眼口位置應低于錨桿墊片150mm以上，且周邊眼實行光面爆破，以便對超前錨桿產生最小的影響力。放炮后，人員不得進入空頂下作業，應先檢查超前錨桿的支護情況，同時對錨桿的錨固力進行檢查。在超前錨桿支護有效的情況下，對爆破地段的頂幫進行敲幫問頂和處理浮巖活石，之后方可進行下一工序作業。
　　3.2管棚尺寸參數設計
　　管棚長度可通過以下經驗公式確定。L=1+Hcotφ+0.5式中：L為管棚長度；φ為巖層的內摩擦角；H為圍巖垮落高度，根據1201運輸平巷圍巖性質，取H=2.51m，φ=26°，帶入公式計算可得L=5.6m。在確定管棚長度時，若圍巖巖性較差，可適當增加管棚長度，若圍巖巖性較好，則可減小管棚長度，結合1201運輸平巷地質條件綜合考慮管棚長度，取L=6m。為了便于管棚現場安裝，采用分節制作及安裝的方法，選用直徑50mm，壁厚為5mm、每節長度3000mm的無縫鋼管，將鋼管管端削尖以便于插入圍巖，前后2根鋼管的搭接部分采用絲扣連接，絲扣長度不低于100mm。
　　3.3注漿加固方案設計
　　該礦軟巖巷道除采用錨桿支護外，也采用了管棚支護方式。在進行管棚支護時，待棚架架設完畢后，便需進行掛網、噴漿以及注漿處理，確保U型鋼能夠均勻承載。經過現場分析確定的注漿參數為水灰比1∶1，雙漿體積比0.04∶1。在實際操作過程中，由于巷道不同地段的圍巖狀況、裂隙發育程度不同，可對水灰比進行適當調節，但水灰比不宜小于0.5∶1，但也不宜大于1.5∶1。針對巷道實際特點，可選擇及時初噴以及滯后復噴模式。在巷道掘進過后，需及時進行噴漿處理。在掘進機后方進行復噴時，可保持與滯后注漿平行作業。滯后噴漿可以在一定程度上釋放巷道應力，并且之后噴漿層也不易出現開裂問題，同時滯后噴漿還能夠與注漿保持平衡作業，有利于進一步加快施工速度。初噴作業在巷道開挖以后及時進行，初噴厚度為50mm。滯后噴漿緊跟掘進機后方作業，與注漿同時進行，噴漿厚度為100mm，在復噴前應用高壓水沖洗初噴面。
　　4掘進技術研究
　　4.1掘進機截割方式優化設計
　　掘進機截割方式的好壞對掘進機工作效率、成巷質量及施工速度具有重要的影響，在掘進過程中要根據不同圍巖情況選擇合理的截割方式，當巖石硬度較小時，先用截割頭在左下角掏槽后，向上按S型進行切割；當巖石硬度不同時，先在較軟位置進行掏槽，然后再進行全斷面截割；當巖石較硬時，根據巖石硬度及節理裂隙發育情況綜合確定鉆進深度，再逐步擴大到全斷面。
　　4.2巷道底板軟弱導致掘進機行走困難
　　當底板較軟時，可通過在履帶下墊木板來加強其行走能力，若底板積水較多，先進行上部截割，待截割下來的物料與水混合后再進行下部的截割；在積水較多區域可隔一段區域建立蓄水池，來收集巷道上部流下的泥水，并通過泥漿泵進行排水。
　　4.3施工組織與管理優化設計
　　在原施工方案基礎上，對工序網絡進行優化設計，每個掘進班在1個班內進行兩輪截割，架2架U型棚，注漿作業緊跟掘進機后方，與支護作業平行進行；原施工方案中人工挖柱窩占用了大量的時間，因此改為掘進機開挖。