全断面矩形高效快速掘进巷道支护方案优化探讨

2022-09-11

引言

某煤矿属于全机掘进巷道。主要采用掘锚机进行掘进，也可以将尺度控制在800-1600m之间。为了在短时间内提高掘进的效率。某煤炭集团共同研制了快速掘进系统，并在掘进的过程中创造了月掘进3087m的记录。其中，支护的情况将会在之后影响掘进的效率。也正是因为整个系统内部配置了支护系统，所以有效地提升了支护的效率。从实践过程看，只有对整个支护的过程进行一次支护和二次支护，并将支护的距离控制在26.5-33m之间，才能够让支护的方式变得更加可靠。本文主要对全断面矩形高效快速掘进巷道支护的方案进行全面地优化。

1. 实际案例分析

(1)巷道布置

整个辅助运输巷，地面的标准高度介于1305-1382m。煤层底板的标准高度介于901-963m，其深度介于380-460m。再将巷道实际凌驾于综采工作面的运输通道上来进行运输，最终才能够更好地进行通风[1]。本次煤矿巷道位于42号的煤矿大巷上，西北部为井田的边界。

整个辅运巷沿着底板掘进巷道的参数表如表1所示：

(2)煤层顶底板岩性

整个煤层属于不粘煤，厚度介于3.7-7.1m之间，平均的厚度为6.05m。其顶部主要是以砂质的泥岩为主的，内部含有少量的云母碎片。整个断口不仅参差不齐，更显得较为坚硬。可以看出老顶直接覆盖在原来的顶上，局部又会为砂岩和泥岩，内部的顶板也属于冒落的顶板。

(3)配套设备

采用型号为MJJ3800*500型的全断面矩形快递挖掘机来完成装煤和落煤的工序。并注意利用PZY2000/310的移动式载荷破碎机来进行运转。型号为DSJ100型的胶带机则可以全面地实现煤炭的运输。另外，在掘进的过程中，掘进机械可以同时完成装煤、割煤和其他工序。

2. 原支护方案

(1)支护参数

一般的支护参数主要包括如下的方法：在一次支护时，可以采用“锚杆+高强度塑料网”联合支护的方式。并将不同尺寸的左旋无纵筋螺纹锚杆和左旋无纵筋螺旋刚锚杆共同组成。在安装供水管和压风管的锚杆时，需要向外部露出100-120mm的距离。在安装过程中，选择高强度的塑料网来进行安装，注意将网孔的规格控制在40mm*40mm的规格，注意将网片的尺寸控制在5200mm*1700mm左右。

在完成一次支护之后进行二次支护。主要采用“锚杆、网片、锚索和钢带”联合支护的方式。左侧不要配有纵筋螺纹锚杆。注意配合Φ6.4mm的焊接钢筋网来进行加工，并将网孔的规格控制在150mm*150mm，注意在加工过程中将网片的尺寸控制在5600mm*1500mm。

(2)施工工艺

在实际掘进的过程中，所有的掘进机都完成了割煤和装煤的工序。并在施工的过程中配合临时支护共同完成任务。注意配合的锚杆在完成顶部永久支护和顶帮永久支护。并配合相关的工具，遵循从里向外的顺序来全面地进行支护[2]。在支护时，最大的空顶距离为6.2m，最小的空顶距为4.6m，期间永久支护最大距离为32m。

3. 原支护方案顶板稳定性评估

(1)空顶期间顶板的稳定性

整个42108巷道尺寸为5800mm*3600mm，如果埋深被确定为440m时，则可以通过借助FLAC模型来得出对应的煤层应力曲线。整个过程如图1所示：

当巷道被破坏时，则应该在第一时间满足最大位置的关系。其最大位置位移和拉应力之间的关系满足关系式ymax=I2/8Ehσ，式子中的I为19m,E位100MPa,h为2m，其抗拉强度为σ，其最小值为0.34MPa。在经过一系列计算之后就可以得到最大变形值的数值。

当空顶尺寸为4.6m时，巷道空顶两端的约束值会最大。所取得的约束系数在经过求解之后能够得到0.56[3]。在此基础上就可以得到如图的巷道顶板位移曲线图。在图像上可以看出，顶板处的最大位移为136mm，再看其最大的变形为ymax，这说明当空顶处于4.7m时，多数情况下安全可行。但是，如果抗拉强度小于0.61MPa时，煤层的顶部会被破坏。

如果空顶尺寸为6.2m时，巷道两端的约束最大。所取得的约束系数要小于0.45。在此基础上就可以得到巷道顶板的位移曲线如图3所示。通过图3可以看出，顶板的最大位移可以被确定为170mm。在分析之后可以看出，在空顶6.2m的情况下，大多数情况都是安全可行的。如果煤体的抗拉强度一度到达0.62MPa，煤顶会被破坏。

4. 支护优化方案

从评估的情况来看，可以结合经济型的特点来对顶帮的一次支护参数和二次支护参数进行优化。

(1)一次支护

可以将支护的排距设定为1.5m，并每隔4根锚杆来设置高压塑料网支护。并注意将塑料网的规格设置为120mm*120mm。

将中部两根柔性锚杆的尺寸设定为21.7mm*4000mm，并配合200m*200mm*12mm的专用钢托盘[4]。并让锚杆露出岩面的距离小于100mm。如果能够将外拉的长度控制在150mm之内，也可以配合锁具来加工。在加工之后，每根柔性的锚杆会配合1块拱形钢托盘和1个锁具来配合施工。整体拉力被控制在160kN。

(2)二次支护

可以在相邻的两排锚杆中间直接安装4根锚杆，也可以直接安装专用的锚压索。注意将控制钢筋网的网孔设置为150mm*150mm，钢筋的规格可以被控制在14mm。两侧尺寸为21.7mm*6200mm的锚索可以垂直安装在两侧。注意让整个锚索露出岩面大约300mm的距离，锁具露出的距离控制在150mm，并将预拉力控制在160kN。

中间两根锚杆的尺寸为22mm*2200mm，本身属于左旋筋螺纹钢锚杆。锚杆的头上会露出大约10-50mm的螺母，其扭矩可以被控制在300N·m。

5. 巷道支护优化的效果

在掘进此巷道的过程中，大家可以按照有关优化的方案来执行，但是在优化之后未失去效果。顶板离层和冒落的现象有所改善。第一次支护和第二次支护过程中产生的隐患也已经被有效地消除。于是，整个巷道顶帮支护的效果会变得更好。自然也就能够在施工的过程中满足掘进施工的要求。

6. 结束语

在通过上述“连续梁”模型的过程中来得到合适的空顶板曲线和间隔期顶板曲线。在分析之下可以得知，在大多数情况整个煤矿都是安全可行的[5]。但是如果煤体的抗拉强度一度降低到0.62MPa时，煤顶会被破坏。

在评估之后可以得知，如果在一次和二次支护间隔期间，采用原有的方案能够更好地消除安全隐患。通过对原有方案内部的参数进行优化之后，就能够让整个顶板变得更加稳定。自然能够满足安全生产过程中的要求。

事实也证明，采用矩形高效掘进的施工技术来进行施工，自然也能够让整个施工的过程变得更加高效。

摘要：为了让矩形掘进机能够在巷道内部快速地掘进，并让支护的过程变得更加可靠。本文先对某煤矿支护方案进行评估。之后再得出煤层顶板和掘进的设备会影响巷道掘进过程的顺利进行的结论。但是，如果在掘进过程中其抗拉的强度一度较低，其煤层的顶板会被破坏，整个支护的安全性没有办法更好地被保障。因此，专业人员需要先优化相关的支护参数，之后才能够让掘进技术更好地进行。

关键词：全断面矩形,快速掘进,巷道支护,支护方案,优化措施