论文部分内容阅读
摘 要：合理掘进循环进尺有利于安全快速施工。为实现三河尖矿快速掘进，解决采掘接替紧张难题，以三河尖矿7126工作面轨道巷为研究对象，进行大循环进尺快速掘进关键技术的研究，根据顶板应力与岩体强度判定巷道顶板稳定性，确定了合理的掘进循环进尺。在此基础上，提出了“小循环临时支护+高强预紧支护+高帮上部及时支护”支护原则，现场效果显著，使月进尺达到400m/月以上，保证了巷道掘进的速度和安全性。
关键词：大循环进尺；快速掘进；高强预紧；锚杆支护；
中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-08-00-02
由于中国大部分煤炭赋存条件较为复杂，煤巷综掘普遍采用综掘机配套单体锚杆钻机和连续采煤机与锚杆钻车配套工艺。循环进尺小，可以保证安全，但掘进与支护作业交替频繁，影响生产效率；掘进循环进尺大，可以减少不必要的工作交替次数，有助于组织生产，提高工效，但掘进循环进尺大存在很大的安全隐患，万一发生顶板坍塌将直接影响施工进度及危及矿工生命。因此，在安全、生产兼顾的情况下，确定一个合理掘进循环进尺就显得尤其重要。
三河尖矿巷道掘进循环进尺比较小（循环进尺为1.8m），造成采掘接替紧张，每月进尺已不能满足矿井正常接替的需要，掘进工序比较复杂，掘进机的有效工作时间短，掘进速度慢。增加循环进尺和优化掘进工艺可以有效解决这一问题，但是增大循环进尺，存在空顶长度大，巷道围岩控制困难等问题，需要确定合理的循环进尺，采用可靠的围岩控制技术，选择安全、经济、高效的施工工艺和劳动组织方式，在保障安全的前提下实现快速掘进。
一、工程概况
三河尖矿7126工作面轨道巷沿顶掘进，巷道断面为梯形断面。轨道巷标高-800m，底宽为3.8m，中高为2.7m。直接顶为0～2.54m的泥岩，致密性脆易碎。基本顶为35m的中细砂岩，成分以石英、长石为主，层理不明显，含有黄铁矿结核。直接底为1.86m的泥岩，致密性脆，含植物化石碎片。基本底为7.84m的砂质泥岩，深灰色，致密性脆。煤层平均厚度为2.5m，条带结构，内生节理发育，为光亮型煤。
二、大循环进尺的合理确定
7126工作面轨道巷直接顶为0～2.54m的泥岩，基本顶厚度为35m中细砂岩，基本顶厚度、强度均较大，其承载和抗变形能力均较大，能够保持自身稳定且下沉量很小。因此，对泥岩直接顶的稳定性进行分析时，仅需考虑其自身载荷作用。
由相关图表可以看出，在沿直接顶厚度方向，直接顶下部分岩层受拉，上部分岩层受压，往直接顶厚度中部方向，等值线逐渐稀疏，且拉应力沿着直接顶厚度方向越来越小，压应力沿着直接顶厚度方向越来越大。
10m循环进尺条件下，泥岩的最大拉应力为1.004MPa，超过泥岩的抗拉强度0.9MPa，顶板可能发生拉破坏而导致顶板冒落；4m、6m、8m大循环进尺条件下，最大拉应力值均小于泥岩抗拉强度0.9MPa，但8m循环进尺条件下的最大拉应力为0.692MPa，但当巷道局部区域泥岩厚度大于2.5m时，拉应力将会超过0.9MPa，安全系数较低，且由于循环进尺增大，一个班也难以完成一个循环，交接班及其它辅助措施占用时间比较长，而4m循环进尺时，掘进与支护作业交替频繁，影响生产效率。因此，综合考虑矿上的生产技术条件，确定三河尖矿7126工作面轨道巷掘进循环进尺为6m。
三、大循环进尺巷道围岩控制技术
增大掘进循环进尺，巷道空顶距离增大，顶板易发生离层，煤层节理发育，高帮易片帮，大幅度增加了巷道支护难度。通过对大循环进尺条件下围岩控制的问题的分析研究，提出了“小循环临时支护+高强预紧支护+高帮上部及时支护”支护原则。
（1）小循环临时支护。统筹考虑临时支护和永久支护，将二者作为一个体系进行考虑。巷道掘出后，围岩原岩应力状态被打破，破碎区与塑性区迅即向深部发展，围岩变形速度较快。为了保证顶板安全和施工人员安全，应采及时进行小循环临时支护，在临时支护掩护下进行永久支护。
（2）高强预紧支护。为了防止顶板过早离层以及煤帮破碎区的发展，及时施加高强预紧力锚杆，实现锚杆主动承载，，提高围岩峰值强度和残余强度，抑制围岩大变形，从而达到防止顶板冒顶、高帮片帮的目的。
（3）高帮上部及时支护。顶板锚杆和高帮肩角锚杆同时打设，滞后打设高帮下部锚杆和低帮锚杆，实现顶板和肩角围岩稳定。
考虑掘进进尺与锚杆支护工艺，经过多种支护方案比较，最终确定巷道支护参数为：
（1）巷道支护参数
顶板锚杆间排距900 mm×1000mm，每排5根锚杆，两帮采用锚杆间排距800 mm×1000mm，低帮每排三个锚杆，高帮每排4根锚杆，锚杆均为直径20mm、长度2000mm的左旋螺纹钢锚杆，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2350一支。锚杆配套使用半球形垫圈、树脂减摩垫圈、金属垫圈，快速安装的高强螺帽。顶板、两帮均铺设金属网和钢筋梯子梁，钢筋梯子梁采用直径14mm的圆钢焊接。
（2）小循环临时支护参数
为了保障安全，打设单体支柱按小循环进行，1m一个小循环，则临时支护范围小，施工循环次数多，工序复杂，而3m或以上一个小循环，临时支护范围大，不利于顶板稳定。因此，从安全角度和施工循环次数考虑，确定临时支护小循环长度为2m，即每个小循环打设两排单体支柱
7126工作面轨道巷掘进期间巷道表面位移曲线见图2所示。巷道表面位移随掘进头的远离而递增，变形速度逐渐减小。顶底板相对移近量和两帮相对移近量变化趋势相同，距掘进头100m以后，巷道围岩变形速度趋于稳定，变形量不再明显增加，顶底板相对移近量为133mm，两帮相对移近量为93mm，巷道围岩稳定性较好。
7126工作面轨道巷原掘进进尺为195m，实施大循环进尺掘进工艺后进尺达到409.9m，掘进速度为原掘进工艺速度的2.1倍，大大提高了煤巷综掘速度。实施大循环进尺掘进工艺，提高工作面煤巷综掘速度效果显著，有效缓解了三河尖矿采掘接替紧张的局面。
四、主要结论
（1）在保证巷道直接顶稳定的前提下，增大循环进尺，可减少不必要的工作交替次数、并在较大作业空间内实现平行作业，是实现煤巷快速掘进的重要途径。根据顶板应力与岩体强度判定巷道顶板稳定性，确定了7126工作面轨道巷合理的掘进循环进尺为6m，安全系数较高，一个班可以完成一个循环作业。
（2）针对大循环进尺巷道空顶距离增大，顶板易发生离层、煤层节理发育、高帮易片帮等特点，提出了“小循环临时支护+高强预紧支护+高帮上部及时支护”支护原则，并设计了合理的支护参数，保证了巷道围岩稳定。
（3）现场实践表明，大循环进尺掘进速度为原掘进工艺的2.1倍，大大提高了7126工作面煤巷综掘速度。掘进期间，巷道顶底板相对移近量为133mm，两帮相对移近量为93mm，巷道围岩稳定性较好，支护效果显著，实现了安全快速掘进，缓解了矿井接续紧张的局面，取得了顯著的经济社会效益。
参考文献：
[1]王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术[J].煤炭科学技术，2004，31（1）：6-10
[2]薛敬峰，倪先杰.刘庄煤矿煤巷综掘快速掘进技术[J].煤炭技术，2009，28（10）：25，32
[3]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003
[4]杨壮.大断面煤巷综掘锚杆支护快速掘进关键技术研究[D].安徽理工大学，2008
[5]冯俊伟，冯光明，宁帅.大倾角煤层回采巷道锚网支护快速掘进技术分析[J].煤矿开采，2007（01）：46-48
[6]侯朝炯，郭励生等.煤巷锚杆支护[M].1999
[7]柏建彪，王卫军，侯朝炯，等.综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究[J].煤炭学报，2000（05）：478-481
关键词：大循环进尺；快速掘进；高强预紧；锚杆支护；
中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-08-00-02
由于中国大部分煤炭赋存条件较为复杂，煤巷综掘普遍采用综掘机配套单体锚杆钻机和连续采煤机与锚杆钻车配套工艺。循环进尺小，可以保证安全，但掘进与支护作业交替频繁，影响生产效率；掘进循环进尺大，可以减少不必要的工作交替次数，有助于组织生产，提高工效，但掘进循环进尺大存在很大的安全隐患，万一发生顶板坍塌将直接影响施工进度及危及矿工生命。因此，在安全、生产兼顾的情况下，确定一个合理掘进循环进尺就显得尤其重要。
三河尖矿巷道掘进循环进尺比较小（循环进尺为1.8m），造成采掘接替紧张，每月进尺已不能满足矿井正常接替的需要，掘进工序比较复杂，掘进机的有效工作时间短，掘进速度慢。增加循环进尺和优化掘进工艺可以有效解决这一问题，但是增大循环进尺，存在空顶长度大，巷道围岩控制困难等问题，需要确定合理的循环进尺，采用可靠的围岩控制技术，选择安全、经济、高效的施工工艺和劳动组织方式，在保障安全的前提下实现快速掘进。
一、工程概况
三河尖矿7126工作面轨道巷沿顶掘进，巷道断面为梯形断面。轨道巷标高-800m，底宽为3.8m，中高为2.7m。直接顶为0～2.54m的泥岩，致密性脆易碎。基本顶为35m的中细砂岩，成分以石英、长石为主，层理不明显，含有黄铁矿结核。直接底为1.86m的泥岩，致密性脆，含植物化石碎片。基本底为7.84m的砂质泥岩，深灰色，致密性脆。煤层平均厚度为2.5m，条带结构，内生节理发育，为光亮型煤。
二、大循环进尺的合理确定
7126工作面轨道巷直接顶为0～2.54m的泥岩，基本顶厚度为35m中细砂岩，基本顶厚度、强度均较大，其承载和抗变形能力均较大，能够保持自身稳定且下沉量很小。因此，对泥岩直接顶的稳定性进行分析时，仅需考虑其自身载荷作用。
由相关图表可以看出，在沿直接顶厚度方向，直接顶下部分岩层受拉，上部分岩层受压，往直接顶厚度中部方向，等值线逐渐稀疏，且拉应力沿着直接顶厚度方向越来越小，压应力沿着直接顶厚度方向越来越大。
10m循环进尺条件下，泥岩的最大拉应力为1.004MPa，超过泥岩的抗拉强度0.9MPa，顶板可能发生拉破坏而导致顶板冒落；4m、6m、8m大循环进尺条件下，最大拉应力值均小于泥岩抗拉强度0.9MPa，但8m循环进尺条件下的最大拉应力为0.692MPa，但当巷道局部区域泥岩厚度大于2.5m时，拉应力将会超过0.9MPa，安全系数较低，且由于循环进尺增大，一个班也难以完成一个循环，交接班及其它辅助措施占用时间比较长，而4m循环进尺时，掘进与支护作业交替频繁，影响生产效率。因此，综合考虑矿上的生产技术条件，确定三河尖矿7126工作面轨道巷掘进循环进尺为6m。
三、大循环进尺巷道围岩控制技术
增大掘进循环进尺，巷道空顶距离增大，顶板易发生离层，煤层节理发育，高帮易片帮，大幅度增加了巷道支护难度。通过对大循环进尺条件下围岩控制的问题的分析研究，提出了“小循环临时支护+高强预紧支护+高帮上部及时支护”支护原则。
（1）小循环临时支护。统筹考虑临时支护和永久支护，将二者作为一个体系进行考虑。巷道掘出后，围岩原岩应力状态被打破，破碎区与塑性区迅即向深部发展，围岩变形速度较快。为了保证顶板安全和施工人员安全，应采及时进行小循环临时支护，在临时支护掩护下进行永久支护。
（2）高强预紧支护。为了防止顶板过早离层以及煤帮破碎区的发展，及时施加高强预紧力锚杆，实现锚杆主动承载，，提高围岩峰值强度和残余强度，抑制围岩大变形，从而达到防止顶板冒顶、高帮片帮的目的。
（3）高帮上部及时支护。顶板锚杆和高帮肩角锚杆同时打设，滞后打设高帮下部锚杆和低帮锚杆，实现顶板和肩角围岩稳定。
考虑掘进进尺与锚杆支护工艺，经过多种支护方案比较，最终确定巷道支护参数为：
（1）巷道支护参数
顶板锚杆间排距900 mm×1000mm，每排5根锚杆，两帮采用锚杆间排距800 mm×1000mm，低帮每排三个锚杆，高帮每排4根锚杆，锚杆均为直径20mm、长度2000mm的左旋螺纹钢锚杆，采用树脂药卷锚固，树脂药卷规格：CK2350一支。锚杆配套使用半球形垫圈、树脂减摩垫圈、金属垫圈，快速安装的高强螺帽。顶板、两帮均铺设金属网和钢筋梯子梁，钢筋梯子梁采用直径14mm的圆钢焊接。
（2）小循环临时支护参数
为了保障安全，打设单体支柱按小循环进行，1m一个小循环，则临时支护范围小，施工循环次数多，工序复杂，而3m或以上一个小循环，临时支护范围大，不利于顶板稳定。因此，从安全角度和施工循环次数考虑，确定临时支护小循环长度为2m，即每个小循环打设两排单体支柱
7126工作面轨道巷掘进期间巷道表面位移曲线见图2所示。巷道表面位移随掘进头的远离而递增，变形速度逐渐减小。顶底板相对移近量和两帮相对移近量变化趋势相同，距掘进头100m以后，巷道围岩变形速度趋于稳定，变形量不再明显增加，顶底板相对移近量为133mm，两帮相对移近量为93mm，巷道围岩稳定性较好。
7126工作面轨道巷原掘进进尺为195m，实施大循环进尺掘进工艺后进尺达到409.9m，掘进速度为原掘进工艺速度的2.1倍，大大提高了煤巷综掘速度。实施大循环进尺掘进工艺，提高工作面煤巷综掘速度效果显著，有效缓解了三河尖矿采掘接替紧张的局面。
四、主要结论
（1）在保证巷道直接顶稳定的前提下，增大循环进尺，可减少不必要的工作交替次数、并在较大作业空间内实现平行作业，是实现煤巷快速掘进的重要途径。根据顶板应力与岩体强度判定巷道顶板稳定性，确定了7126工作面轨道巷合理的掘进循环进尺为6m，安全系数较高，一个班可以完成一个循环作业。
（2）针对大循环进尺巷道空顶距离增大，顶板易发生离层、煤层节理发育、高帮易片帮等特点，提出了“小循环临时支护+高强预紧支护+高帮上部及时支护”支护原则，并设计了合理的支护参数，保证了巷道围岩稳定。
（3）现场实践表明，大循环进尺掘进速度为原掘进工艺的2.1倍，大大提高了7126工作面煤巷综掘速度。掘进期间，巷道顶底板相对移近量为133mm，两帮相对移近量为93mm，巷道围岩稳定性较好，支护效果显著，实现了安全快速掘进，缓解了矿井接续紧张的局面，取得了顯著的经济社会效益。
参考文献：
[1]王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术[J].煤炭科学技术，2004，31（1）：6-10
[2]薛敬峰，倪先杰.刘庄煤矿煤巷综掘快速掘进技术[J].煤炭技术，2009，28（10）：25，32
[3]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003
[4]杨壮.大断面煤巷综掘锚杆支护快速掘进关键技术研究[D].安徽理工大学，2008
[5]冯俊伟，冯光明，宁帅.大倾角煤层回采巷道锚网支护快速掘进技术分析[J].煤矿开采，2007（01）：46-48
[6]侯朝炯，郭励生等.煤巷锚杆支护[M].1999
[7]柏建彪，王卫军，侯朝炯，等.综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究[J].煤炭学报，2000（05）：478-481