薛虎沟矿复采煤层掘进工艺研究

景卫星

（霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿， 山西 霍州 031400）

复采煤层多出现在资源整合矿井中，矿井实际生产过程中面临着许多技术难题。复采煤层受到采空区或空巷的影响，工作面掘进或回采工作都出现了很大的不确定性[1-2]。如何避免这种不确定性，加强掘进或回采工作的安全性，是许多资源整合型矿井面临的共同难题[3-5]。因此以薛虎沟矿复采煤层巷道掘进为背景，研究在掘进遇空巷、遇采空区的情况下加强顶板控制、提高掘进速度的问题。

1 工程概况

霍州煤电薛虎沟煤业为山西焦煤整合复采的矿井之一，井田内除原薛虎沟煤业有限公司和麻子沟煤矿外，在井田南部还分布有已关闭的陈家岭村办煤矿和三对私人开办井口，井田面积为4.061 6 km2，矿井生产规模为90万t/年。井田范围内总体地势东高西低，坡度自西向东增大。总体为倾向北西的简单单斜构造，地层倾角一般1°～7°，断层不发育。整合矿井需要对井田南部地段2、10号煤层进行开采，而原有开采区域对2、10号煤层造成了一定范围采空破坏。2号煤层巷道掘进过程中，被小煤窑破坏区域揭露较多，导致在这种条件下顶板管控较复杂，支护材料和掘进成本也都显著增加。

2 复采煤层巷道断面掘进设计

2.1 巷道断面设计

2.1.1 设计依据

1）根据矿井现有EBZ-160综掘机规格（净高1.7 m，机身净宽2.55 m，铲板净宽3.1 m，机身总长度9.8m）和断面设计标准要求，铲板距两帮预留0.3m的安全间距，同时考虑风筒、管线的布置状况，顺槽断面净宽不低于3.7 m，净高不低于2.8 m。

2）根据工作面设备尺寸计算：转载机（宽×高）=1.51 m×2.02 m，马蹄儿机尾（宽×高）=2.22 m×1.875 m，设备自移列车规格（宽×高）=1.4 m×2.3 m，25T支架搬运车（宽×高）=2.2 m×1.9 m。

3）按照设计规范行人道布置留设不小于1.0 m，非行人道留设不小于0.3 m，巷道电缆、管路吊挂（按6寸排水管路计算）留有0.5 m吊挂距离。

2.1.2 设计结果

1）辅助运输大巷。巷道采用5000型U型棚为永久支护，为直壁半圆拱断面。巷道毛尺寸（宽×高）=5 500 mm×4 450 mm，净尺寸（宽×高）=5 000 mm×4 100 mm（其中200 mm底板硬化），拱高为2 500 mm，墙高1 700 mm，棚距800 mm。

2）2-1011巷。巷道采用3500型U型棚为永久支护，为三心拱断面。巷道毛尺寸（宽×高）＝4 200 mm×3 150 mm，净尺寸（宽×高）＝3 500 mm×2 800 mm，拱高1 750 mm，墙高1 050 mm，棚距800 mm。

3）2-1012巷。巷道采用4200型U型棚为永久支护，为用三心拱断面。巷道毛尺寸（宽×高）＝4 900 mm×3 550 mm，净尺寸（宽×高）＝4 200 mm×3 200 mm，拱高2 100 mm，墙高1 200 mm。

2.2 巷道掘进方式

目前较常用的掘进方式有人工掘进、炮掘工艺、综掘工艺。相比而言，综掘工艺工人劳动强度小、成巷质量高、掘进速度快，有利于顶板支护，2号煤层复采时设计采用综掘工艺进行施工，具体如下。

1）辅助运输大巷。巷道设计总长度为1 170 m，开口炮掘施工60 m后采用综掘机掘进。巷道揭露煤层最小厚度为2.5 m，最大厚度为4.5 m，沿底板掘进，下部平均存有1.0 m左右原始煤层，其余为复采煤层。

2）2-1011巷。巷道设计总长度为560 m，开口人工掘进20 m后采用综掘机施工。巷道揭露煤层最小厚度为3.2 m，最大厚度为3.8 m，沿底板掘进，上部平均存有1.0 m左右复采松软煤层。

3）2-1012巷。巷道设计总长度为510 m，开口人工掘进20 m后采用综掘机施工。巷道揭露煤层最小厚度为2.5 m，最大厚度为3.8 m，沿底板掘进，上部平均存有1.0 m左右复采松软煤层。

2.3 巷道支护形式

通过对锚网梁支护、梯形棚支护、半圆拱U型棚支护、三心拱U型棚支护对比分析后得知，锚网梁支护锚护强度无法达到要求，梯形棚支护对端头和超前位置支护难度大，半圆拱U型棚支护需要二次替换支护，而三心拱U型棚支护的支护强度大，控制切实可行，较符合复采煤层现状。

1）辅助运输大巷。永久支护为直壁半圆拱断面，U型棚选用 5000（29U）U型钢棚，棚距 800 mm，每架U型棚使用3根拉杆，正顶1根，棚梁与棚腿搭接处各一根，棚梁与棚腿搭接500 mm，卡缆间距350 mm，卡缆螺栓扭矩不得小于180 N·m，柱窝深度200 mm，顶帮用水泥背板背实，采用“花背”，水泥背板规格为1 000 mm×150 mm×80 mm，背板数量36/37块，顶帮采用1 200 mm×900 mm的钢筋网片紧靠棚子全断面铺网，金属网选用Φ6 mm钢筋焊制，网格大小为100 mm×100 mm，网片搭接100 mm，每100 mm用联网丝联一道，联网用14号铅丝，每道不小于三圈。

2）工作面顺槽（以2-1011巷重点描述）。永久支护为三心拱断面，U型棚选用3500（29U）三心拱U型钢棚，棚距800 mm，每架U型棚使用2根拉杆连接，棚梁与棚腿搭接处各一根，棚梁与棚腿搭接500 mm，卡栏间距350 mm，卡缆螺栓扭矩不得小于180 N·m，柱窝深度200 mm，顶帮用方木背实，采用“花背”，方木规格为1 000 mm×150 mm×80 mm，背板数量24/25块，顶帮采用钢筋网片紧靠棚子全断面铺网（二牛背以上采用菱形网和钢筋网双层铺设，钢筋网紧贴U型棚），钢筋网规格为Φ6 mm×1200 mm×900 mm，网格大小为100 mm×100 mm，菱形网规格为3 500 mm×900 mm，网格大小为40 mm×40 mm，网片搭接100 mm，每100 mm用联网丝联一道，联网用14号铅丝，每道不小于三圈。

3 复采煤层巷道断面掘进关键技术

3.1 辅助运输大巷支护形式

辅助运输大巷开始施工时，采用锚网梁、锚索、U型棚、喷浆复合支护。锚网梁、锚索作为超前支护，U型棚滞后锚杆支护5 m，最后进行集中喷浆。此项支护巷道支护成本过大，施工过程中不断对2号煤顶板压力观测发现，伪顶和直接顶已基本跨落，老顶局部下沉，已至稳定，通过观测，剔除锚网梁、锚索支护，直接采用U型棚、喷浆联合支护作为永久支护方式，不但节约材料消耗，而且喷浆对小煤窑破坏区的漏风问题可以有效管控。因此，辅助运输大巷采用U型棚、喷浆联合支护。

3.2 巷道沿顶底板掘进形式

由于顺槽巷道掘进时煤层厚度大于巷道高度，沿底板掘进复采煤伪顶难以留存，造成背顶量增加、材料投入加大。为解决这一问题，在2-1011巷尝试沿2号煤顶板掘进，在施工60 m后，发现U型棚腿不能落至实底，导致棚腿回缩严重，而且由于复采煤层酥软，永久支护后，顶板及两帮来压，造成U型棚扭曲变形以及回采过程中支护材料难以回收利用。因此，巷道掘进拟采用沿底板掘进施工。

3.3 帮部背板形式

2-1012巷施工期间为减少支护材料消耗，尝试在棚腿上焊制3根挡板（二牛背1根，直墙部2根），贴煤壁铺设菱形网，而后将木背板放在挡板上，每架U型棚直墙部共铺设6根木背板，施工至40 m后发现两帮部受压变形严重造成帮部大量网包，从而导致巷道整体压力增大，导致U型棚变形严重。因此，应当采用木背板正常花背施工。

3.4 U型棚开口

在U型棚巷道开口时首先对开口段巷道顶板进行加强支护，根据开口的巷道宽度，在原巷道开口段正顶处施工组锚索（超出开口巷道两帮即可）配合槽钢将U型棚梁悬吊加强支护，而后将开口帮U型棚腿进行拆除，并在开口巷道进行架棚，将开口巷道顶板控制住后，对开口处超长棚梁进行切除，并将U型棚垂直交接处勾实，最后用网片进行包裹。

4 结论

通过对薛虎沟矿巷道掘进工艺的研究发现，复采煤层适宜采用沿底板方式掘进，根据设备及规程要求，合理设计了巷道断面形状尺寸，确定采用U型棚为永久支护方式。研究结果在薛虎沟矿应用实践表明：辅助运输大巷月掘进度在130 m左右，工作面顺槽月进尺量为200 m左右，掘进技术得到一定程度的进步，可为复采煤层掘进实践工作提供指导。