摘要：以補(bǔ)連塔煤礦為例，系統(tǒng)總結(jié)煤巷掘進(jìn)過(guò)程中存在礦壓顯現(xiàn)大，特別是下組煤掘進(jìn)礦壓顯現(xiàn)尤其明顯，超厚煤巷掘進(jìn)底煤留設(shè)不合理，層位控制難，大斷面煤巷掘進(jìn)懸頂面積大，頂板控制難等工程影響因素，基于以上不同影響因素，結(jié)合掘進(jìn)巷道的實(shí)際條件，提出了針對(duì)性解決措施，為巷道的安全高效掘進(jìn)提供了可靠的技術(shù)方案，最大化降低了巷道使用期內(nèi)的各項(xiàng)維護(hù)投入，確保了巷道生命周期內(nèi)安全高效使用。

　　關(guān)鍵詞：巷道變形;層位控制;超大斷面;頂板穩(wěn)定性;煤巷掘進(jìn)

　　0引言

　　隨著我國(guó)綜采技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)上千萬(wàn)噸的工作面，使年消耗同采巷道數(shù)量大幅增加，從而使巷道掘進(jìn)成為煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)[1-5]。巷道(煤巷)掘進(jìn)是工作面回采前的重要準(zhǔn)備工作，巷道掘進(jìn)的質(zhì)量及巷道成型后的穩(wěn)定性直接關(guān)系著巷道的使用率及使用壽命。

　　巷道掘進(jìn)盡量避開(kāi)壓力集中區(qū)進(jìn)而最大化降低礦壓對(duì)巷道形變的破壞程度，實(shí)現(xiàn)巷道的持續(xù)有效使用[6-9];在超厚煤層條件下煤巷掘進(jìn)時(shí)盡量選擇合適的掘進(jìn)層位進(jìn)而最大化杜絕層位上漂下扎對(duì)巷道平整度的影響，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)平直化，同時(shí)能為工作面回采兩端頭的合理過(guò)渡及垂直懸空段頂板控制創(chuàng)造有利條件[10-12]。

　　大斷面巷道(帶式輸送機(jī)機(jī)頭段以及工作面開(kāi)切眼等)掘進(jìn)時(shí)盡量選擇最優(yōu)的支護(hù)形式實(shí)現(xiàn)頂板安全穩(wěn)定，杜絕支護(hù)強(qiáng)度低導(dǎo)致頂板失穩(wěn)或支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大浪費(fèi)成本，實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)與頂板穩(wěn)定的最佳匹配[13-19]，以上問(wèn)題是當(dāng)前神東礦區(qū)各礦井掘進(jìn)過(guò)程中均需面對(duì)的課題，針對(duì)以上影響掘進(jìn)的工程因素，補(bǔ)連塔煤礦積極探索，基于問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的研究分析，形成了一系列實(shí)踐成果。

　　1下組煤煤巷布置優(yōu)化

　　1.123305工作面基本情況

　　12煤和22煤，間距46～51m，層間頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，12煤采高4.8m，22煤采高6.3m，其22煤305回風(fēng)巷與12煤層的煤柱空間關(guān)系。上部12煤工作面的開(kāi)采時(shí)間已經(jīng)間隔6～7a，頂板巖層移動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定。巷道直接底板為泥巖類，軟巖層厚度為1.5～2.0m。

　　1.222305回風(fēng)巷形變?cè)�因分�?/p>

　　補(bǔ)連塔煤礦的此種上、下工作面巷道布置方式，為典型的22305回風(fēng)巷布置在上部煤柱下方承受高支承壓力，而22304工作面運(yùn)輸巷則內(nèi)錯(cuò)煤柱寬度(13～15m)不夠，同樣承受較高支承壓力，并承受本工作面采動(dòng)影響的案例。加之層間頂板均為泥巖和砂質(zhì)泥巖，比較軟，容易將支承壓力作用在下部巷道圍巖范圍，且層間距離40m正好位于煤柱下集中應(yīng)力影響范圍內(nèi)，故此22305回風(fēng)巷維護(hù)將會(huì)相當(dāng)困難。為了避免今后出現(xiàn)類似的情況，需要研究下工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的合理位置。

　　1.3類似

　　22305回風(fēng)巷的合理位置選擇參照布爾臺(tái)礦4-2煤與2-2煤層間距70m情況下，應(yīng)內(nèi)錯(cuò)35m的布置情況，補(bǔ)礦22煤的回風(fēng)巷應(yīng)內(nèi)錯(cuò)到工作面采空區(qū)內(nèi)部18.65m，為布置簡(jiǎn)便，可取20m。此外，從補(bǔ)連塔礦22煤層的厚度情況而言，巷道煤柱寬度一般要求大于2倍的煤層厚度+2倍巷道松動(dòng)圈范圍，此時(shí)要求巷道煤柱寬度大于16～18m。而現(xiàn)22煤已掘進(jìn)相鄰巷道煤柱寬度為18.0m，為臨界合理寬度。今后，補(bǔ)連礦的下組煤22煤巷道布置，應(yīng)先內(nèi)錯(cuò)20m，再留20m煤柱，才基本可以保證巷道的穩(wěn)定，參見(jiàn)圖3。當(dāng)前，回采22305工作面時(shí)，建議再重新開(kāi)一條巷道，與原來(lái)巷道留煤柱寬度15m，可避開(kāi)煤柱高應(yīng)力影響，改善巷道底鼓。

　　1.4內(nèi)錯(cuò)

　　20m的巷道維護(hù)效果預(yù)測(cè)內(nèi)錯(cuò)20m后，回風(fēng)巷絕對(duì)位于上部1-2煤的采空區(qū)壓力減低區(qū)內(nèi)，避免了煤柱形成的極高支承壓力，巷道維護(hù)效果將會(huì)得到極大的改善，建議今后補(bǔ)礦2-2煤工作面布置和巷道布置時(shí)，應(yīng)用這一分析成果。

　　2大斷面巷道掘進(jìn)頂板控制

　　2.1工作面開(kāi)切眼概況神

　　東補(bǔ)連塔煤礦12煤511綜采工作面開(kāi)切眼區(qū)段12煤煤層傾角1°～3°，平均煤層厚度4.4m，密度1.29t/m3，上覆基巖厚度約為270～290m，松散層厚度為10～15m。煤層展布平緩，煤層直接頂為粉砂-細(xì)砂巖，基本頂為細(xì)-粗砂巖，抗壓強(qiáng)度為10.9～101MPa，含水率一般2.07%，軟化系數(shù)0.49直接底為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為10.88～52.4MPa，含水率2.77%，軟化系數(shù)0.33。

　　工作面開(kāi)切眼兩側(cè)高差約15m，整體掘進(jìn)層位為負(fù)坡沿煤層頂板掘進(jìn)，開(kāi)切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度330m，設(shè)計(jì)寬度10.5m，一次成巷寬度6.0m，二次擴(kuò)幫寬度4.5m，一次掘進(jìn)高度4.3m。掘進(jìn)工藝為掘錨機(jī)掘進(jìn)，采用掘支同步推進(jìn)，掘進(jìn)工序?yàn)橐淮纬上锱c二次擴(kuò)幫交叉進(jìn)行，一次成巷超前，二次擴(kuò)幫滯后，待巷寬及頂、幫支護(hù)到位后拉底達(dá)到設(shè)計(jì)高度。

　　2.2頂板圍巖穩(wěn)定性分析

　　對(duì)12511工作面開(kāi)切眼掘進(jìn)區(qū)段及附近見(jiàn)煤鉆孔柱狀圖進(jìn)行逐一分析研究，對(duì)煤層頂板的巖性進(jìn)行系統(tǒng)鑒定，以巖性為單元，以相近巖層為組，繪制了綜合巖性柱狀圖。以綜合巖性柱狀圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行掘進(jìn)煤層頂板關(guān)鍵層位分析，將開(kāi)切眼掘進(jìn)區(qū)段范圍內(nèi)12煤頂板巖層劃分為7個(gè)層組，由相關(guān)判別軟件分析，12煤頂板識(shí)別出3個(gè)主關(guān)鍵層和2個(gè)亞關(guān)鍵層，結(jié)合相鄰巷道掘進(jìn)頂板裂縫發(fā)育情況探測(cè)分析，進(jìn)一步論證該開(kāi)切眼掘進(jìn)頂板穩(wěn)定性由距離頂板5～20m處厚度約15.00m的中細(xì)砂巖層控制(第一關(guān)鍵層)。

　　2.3頂板支護(hù)選型

　　2.3.1頂板支護(hù)方式選擇

　　錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)可以使錨桿與開(kāi)切眼圍巖形成錨固平衡拱，錨索可以將破碎圍巖體懸吊在深部穩(wěn)定巖層中，從而更好地控制開(kāi)切眼圍巖[20]，錨桿支護(hù)的正交試驗(yàn)表明：隨著錨桿間排距的減小，單根錨桿間形成的壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)一步疊加;隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，單體錨桿的有效壓應(yīng)力范圍先增大后減少，巷道圍巖變形量近似成對(duì)數(shù)規(guī)律減小并趨于穩(wěn)定[21]。基于以上理論驗(yàn)證，結(jié)合相似地質(zhì)條件下大斷面巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)形式及穩(wěn)定性分析，確定該開(kāi)切眼掘進(jìn)頂板支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)。

　　2.3.2頂板支護(hù)材料選型

　　依據(jù)懸吊理論，利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)錨桿的長(zhǎng)度、直徑以及間排距進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，錨桿選型為ø22mm×2200mm螺紋鋼，錨桿支護(hù)間距不得大于1.9m，設(shè)計(jì)錨桿排距為1.0m，間距0.9～1.5m。依據(jù)懸吊理論錨索支護(hù)的作用為錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅(jiān)硬巖層中，按掘進(jìn)頂板最嚴(yán)重冒落考慮(冒落高度大于錨桿長(zhǎng)度)。在忽略巖體黏聚力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)錨索的間排距進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)論為錨索間排距不得大于3.13m，設(shè)計(jì)錨索最大間排距2.0m。錨索選型為ø21.6mm×8150mm，網(wǎng)片選型為ø4冷拔絲網(wǎng)片(頂板全斷面鋪網(wǎng))，滿足頂板支護(hù)要求。

　　2.4頂板礦壓監(jiān)測(cè)通過(guò)頂板礦壓的觀測(cè)，驗(yàn)證頂板支護(hù)強(qiáng)度的合理性，最終實(shí)現(xiàn)大斷面開(kāi)切眼掘進(jìn)頂板支護(hù)優(yōu)化的同時(shí)，保證頂板始終處于穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。當(dāng)前神東補(bǔ)連塔煤礦掘進(jìn)礦壓觀測(cè)采用“定性+定量監(jiān)測(cè)”的方法，其中定性監(jiān)測(cè)法有主要有錨桿轉(zhuǎn)矩及錨桿拉力檢測(cè)、錨索預(yù)緊力及抗拉力檢測(cè)、木點(diǎn)信號(hào)柱監(jiān)測(cè)、敲幫問(wèn)頂觀察法等，定量監(jiān)測(cè)法主要為頂板離層監(jiān)測(cè)。為確保開(kāi)切眼掘進(jìn)及后續(xù)使用過(guò)程中安全，該開(kāi)切眼頂板礦壓監(jiān)測(cè)綜合使用以上2種方法，其中定量監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)頂板離層儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂板離層儀安設(shè)于頂板應(yīng)力集中的開(kāi)切眼正中部。

　　3超厚煤層掘進(jìn)層位控制

　　3.1煤巷掘進(jìn)層位概述煤巷掘進(jìn)層位是指掘進(jìn)巷道頂、底板與該掘進(jìn)煤層頂、底板之間的空間上下關(guān)系。層位控制是煤巷高效優(yōu)質(zhì)掘進(jìn)的前提，是掘進(jìn)工作面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化提升的基礎(chǔ)。超前的層位控制能夠保證巷道成巷后頂、底煤留設(shè)厚度的合理性，有利于快速高效掘進(jìn)。根據(jù)巷道頂、底板與煤層頂、底板間空間關(guān)系，可將煤巷掘進(jìn)層位分為3種：沿底掘進(jìn)、沿頂掘進(jìn)及留頂、底煤掘進(jìn)。在神東礦區(qū)，為提高巷道使用效率，最大化提升單進(jìn)水平，不同用途的巷道選擇不同的掘進(jìn)層位。

　　3.2煤巷掘進(jìn)層位控制存在問(wèn)題

　　在現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)中，由于對(duì)所掘煤層的沉積基底的刻畫不清，特別是對(duì)沿掘進(jìn)方位上煤層的標(biāo)高、煤厚變化分析不透，掘進(jìn)期間職能邊掘邊探，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率和巷道的整體平整度，更為甚者出現(xiàn)工程質(zhì)量事故，影響巷道的后期整體使用。主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：若掘進(jìn)區(qū)段煤層底板起伏大，沿底板掘進(jìn)，則會(huì)出現(xiàn)巷道起伏過(guò)大，影響回采時(shí)工作面兩端頭過(guò)渡，情況嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工作面倒架、擠架;若掘進(jìn)區(qū)段煤層起伏大，留底煤掘進(jìn)時(shí)調(diào)坡不及時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)巷道割底或底煤留設(shè)過(guò)厚，割底會(huì)誘發(fā)或加重巷道片幫，底煤留設(shè)過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致回采期間端頭垂直過(guò)渡割頂量過(guò)大，加大頂板管控難度，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏冒事故，直接影響回采安全。

　　3.3“三圖雙控制”技術(shù)為克服煤巷掘進(jìn)層位控制中存在的問(wèn)題，掘進(jìn)前系統(tǒng)分析成煤地質(zhì)條件，通過(guò)精細(xì)編制煤層底板標(biāo)高及煤厚單孔柱狀圖、煤層厚度預(yù)想剖面圖及煤層底板等高線線圖、為掘進(jìn)過(guò)程中頂、底煤控制與巷道坡度控制提供超前技術(shù)指導(dǎo)。(以補(bǔ)礦12煤五盤區(qū)12513大采高綜采面主運(yùn)機(jī)頭段掘進(jìn)為例)。

　　3.3.1煤層厚度柱狀圖編制單點(diǎn)煤層厚度及煤層底板標(biāo)高標(biāo)定。以盤區(qū)巷道掘進(jìn)及回采工作面已揭露煤層底板標(biāo)高及厚度為基礎(chǔ)資料，分析巷道掘進(jìn)所在盤區(qū)內(nèi)煤層的厚度及標(biāo)高變化規(guī)律，以掘進(jìn)區(qū)段或區(qū)段附近見(jiàn)煤鉆孔巖性柱狀圖以及相鄰區(qū)段開(kāi)采揭露實(shí)際煤層厚度及煤層頂、底板標(biāo)高為基礎(chǔ)資料，編制煤層厚度柱狀圖。

　　3.3.2煤層沿掘進(jìn)方向預(yù)想厚度剖面圖編制掘進(jìn)方位煤層厚度及煤層底板標(biāo)高標(biāo)定。以煤層厚度狀圖為基礎(chǔ)資料，結(jié)合相鄰區(qū)段揭露煤層厚度及構(gòu)造發(fā)育情況，預(yù)測(cè)煤層沿掘進(jìn)方向上厚度變化趨勢(shì)，精準(zhǔn)標(biāo)定煤層沿掘進(jìn)方位上的分叉點(diǎn)、突變點(diǎn)、合層點(diǎn)、夾矸突變點(diǎn)等標(biāo)志點(diǎn)，精準(zhǔn)劃分煤層厚度突變區(qū)段、煤層厚度差異區(qū)段以及煤層起伏變化異常區(qū)段，在此基礎(chǔ)上編制煤層沿掘進(jìn)方位上預(yù)想厚度剖面圖。

　　3.3.3掘進(jìn)區(qū)段煤層底板等高線圖繪制掘進(jìn)區(qū)段內(nèi)煤層底板標(biāo)高的標(biāo)定。通過(guò)研究分析盤區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)地質(zhì)資料，確認(rèn)區(qū)域構(gòu)造背景、成煤建造類型、煤層基底形態(tài)，在準(zhǔn)確把握以上信息的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確核定煤層傾向、走向、傾角等基本參數(shù)。通過(guò)分析煤層掘進(jìn)方位與煤層傾向間空間關(guān)系，厘清煤層底板沿掘進(jìn)方位起伏變化規(guī)律，在厘清煤層沿掘進(jìn)方位底板起伏變化的基礎(chǔ)上，以地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層頂?shù)装鍢?biāo)高的影響、見(jiàn)煤鉆孔巖性柱狀圖以及煤層厚度及標(biāo)高變化等資料為基礎(chǔ)。

　　3.3.4煤巷掘進(jìn)坡度及頂、底煤厚度預(yù)測(cè)

　　以掘進(jìn)區(qū)段內(nèi)煤層厚度預(yù)想剖面圖為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)區(qū)段內(nèi)煤層沉積基底起伏變化的研判，預(yù)測(cè)煤層厚度變化規(guī)律，在煤層沿走向、傾向厚度變化精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)上，按區(qū)段精細(xì)劃分煤層沿掘進(jìn)方位上的煤層厚度變化，以煤層厚度0.5m或1.0m為1個(gè)變化單元，以單元為單位，劃分煤層厚度變化區(qū)段。在煤層厚度變化區(qū)段劃分基礎(chǔ)上，以掘進(jìn)區(qū)段內(nèi)煤層底板等高線圖為基礎(chǔ)，厘清煤層標(biāo)高變化規(guī)律基，整體上預(yù)測(cè)掘進(jìn)區(qū)段煤層底板標(biāo)高變化整體趨勢(shì)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)各區(qū)段內(nèi)煤層底板標(biāo)高變化。

　　同時(shí)在厘清各區(qū)段內(nèi)煤層底板標(biāo)高及煤層厚度基礎(chǔ)上，按照同坡段掘進(jìn)長(zhǎng)度最大化、邊坡拐點(diǎn)平坦化，坡度變化漸變化的調(diào)坡原則，預(yù)測(cè)煤巷掘進(jìn)分區(qū)段坡度。同時(shí)以掘進(jìn)區(qū)段內(nèi)劃分出的煤層厚度變化圖為基礎(chǔ)，以預(yù)測(cè)巷道分區(qū)段坡度為參照，以煤層底板起伏拐點(diǎn)、煤層厚度突變點(diǎn)以及夾矸出現(xiàn)始末點(diǎn)等為參考點(diǎn)，以巷道掘進(jìn)預(yù)測(cè)底板坡度、巷道掘進(jìn)高度為基準(zhǔn)，合理預(yù)測(cè)掘進(jìn)巷道的頂、底煤留設(shè)厚度。

　　3.3.5掘進(jìn)層位及坡度控制

　　1)巷道精準(zhǔn)掘進(jìn)。以掘進(jìn)巷道頂、底煤厚度留設(shè)預(yù)測(cè)與坡度預(yù)測(cè)為參考，通過(guò)巷道頂、底板標(biāo)高為校驗(yàn)掘進(jìn)層位偏差，按腰線組織巷道掘進(jìn)。掘進(jìn)前測(cè)量幫腰線和頂板腰線，通過(guò)雙腰線調(diào)坡掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)巷道精準(zhǔn)高效掘進(jìn)。

　　2)掘進(jìn)坡度及頂?shù)酌汉穸却_定。依據(jù)掘進(jìn)巷道分區(qū)段的坡度預(yù)測(cè)圖，設(shè)計(jì)掘進(jìn)坡度，按設(shè)計(jì)掘進(jìn)坡度組織掘進(jìn)同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)定掘進(jìn)巷道頂、底煤留設(shè)厚度，根據(jù)巷道掘進(jìn)揭露頂、底煤厚度以及夾矸等標(biāo)志層，驗(yàn)證掘進(jìn)坡度的合理性。若層位出現(xiàn)偏差時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)坡度，確保掘進(jìn)坡度及頂、底煤留設(shè)厚度在合理范圍內(nèi)。

　　4結(jié)論

　　1)根據(jù)以往近距離煤層開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，上部采空區(qū)殘留煤柱受到上覆巖層集中載荷的作用，影響下部煤層回采巷道布置，結(jié)合鄰近礦井采區(qū)巷道避開(kāi)殘留煤柱對(duì)底板的集中應(yīng)力擾動(dòng)合理布置方案，確定出今后下組煤22煤巷道布置，應(yīng)先內(nèi)錯(cuò)20m，再留20m煤柱，才基本可以保證巷道的穩(wěn)定。

　　2)將12煤頂板劃分為3個(gè)主關(guān)鍵層和2個(gè)亞關(guān)鍵層，其中距離頂板5～20m處厚度約15.00m的中細(xì)砂巖層(第一關(guān)鍵層)控制著該開(kāi)切眼掘進(jìn)頂板穩(wěn)定性，通過(guò)“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)，給出了最優(yōu)的支護(hù)方案，采用“定性+定量監(jiān)測(cè)”的方法驗(yàn)證頂板支護(hù)強(qiáng)度的合理性，保證了巷道圍巖穩(wěn)定性，控制頂板沉降，實(shí)現(xiàn)大斷面開(kāi)切眼掘進(jìn)頂板支護(hù)優(yōu)化。

　　3)針對(duì)12513大采高綜采面主運(yùn)機(jī)頭段掘進(jìn)，提出了“三圖雙控制”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)方向上煤層厚度及底板標(biāo)高變化的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和控制，并在此基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)坡度，確保掘進(jìn)坡度及頂、底煤留設(shè)厚度在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)巷道同坡形掘進(jìn)最長(zhǎng)化、調(diào)坡拐點(diǎn)平坦化。

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　　作者：韓偉，高振軍