浅谈复杂地质条件下的快速掘进技术

浅谈复杂地质条件下的快速掘进技术
摘要：在复杂的地质条件下掘进，首先要分析不同地质情况下掘进技术应用，在保证安全性和稳定性时针对不同的地质采用不同的方法，以实现科学的掘进；
其次，选取合理恰当的掘进技术，以提高在掘进中的合理性，保障安全作业；再者，综掘机和截齿为掘进过程中的重要机械工具，要针对地质情况，选择适宜的
生产工具，并保障质量、配件量的供应；最后，选择合理的支护方式，保证支护
质量和效果，并尽力缩短支护时间。

做好这几点，才能够实现在复杂地质条件下
快速掘进。

关键词：复杂地质条件；合理选择；机具；支护方式；劳动组合
引言：对于衰老的矿井而言，井下新老巷道的纵横交错，各种地应力的相互
叠加与交织影响，特别是在含煤复合顶板下的掘进与支护，难度非常大，高地应
力的作用，常常会导致巷道扭曲变形，损坏严重，甚至造成前掘后修的局面。

多
次的返修，不仅拖慢施工进度，而且还会严重影响安全生产。

在工程地质条件复
杂多变的条件下掘进，这也提出了较高的要求。

掘进过程中必须具有更好的技术
和更坚固的支护，以保证工人的安全。

随着新技术的不断涌现，在复杂多变的地
质条件下掘进，尽力运用掘进新技术，对整个煤矿开采工作都有着积极的作用。

1.典型的地质特征
像有些综采工作面机巷先期施工，掘进区域内的直接顶板为粉砂质泥岩，进
而构成了煤层呈复合型顶板。

其施工范围内地质条件极为复杂，煤层节理、裂隙
发育，松散破碎，片帮严重；含煤复合顶板自稳性又差，极易发生离层、剪力破坏，顶板暴露后自稳时间短（30～120min），局部地段随着顶板的暴露而发生浅
部冒落；断裂构造较为发育，断层瓦斯赋存条件较好，矿压显现尤为剧烈。

类似
这种复杂的地质环境，就严重制约了掘进的快速施工。

2.掘进技术应用分析
在复杂多变的地质环境下施工，主要的表现形式为断裂层多，压力大，地质
和水文环境复杂等。

断裂层带呈现出来的波动幅度大，顶板和底板松软，潜在的
危险因素多，严重影响工程进度。

同时，工程质量也无法满足巷道支护的要求。

在该地质环境下，可结合实际，采用破顶法、退后卧底法、临时加入U形钢架法
等进行掘进。

①破顶法。

这项技术主要使用相关设备进行直接破顶，留下稳定的
顶板，以保证稳定性。

在此基础上，再进行支护。

当前这样的方法主要应用于坡
度缓岩石大的地质条件。

②退后卧底方法。

要求掘进区域内顶板具有稳定性和完
整性，顶板和地面有一定的落差距离，才可进行支护。

要求掘进采用退后的状态，以应对随时发生的落石落土，卧底要始终保持前进的状态。

该方法确保了巷道内
高度和稳固的效果，且使得岩石层结构更加稳固，对安全有保证。

③锚杆临时加
固支护U型钢架法。

这对巷道的稳定性有一定保证，在应对具有较大落差层的断
裂带上，U型钢架有强有力的支护作用，有时在针对不同地质时，也可以采用锚
杆与U型钢架搭配混合使用，最大限度地使得倾斜的角度控制在45°。

在此基础上，需要借助预紧结构，以保证加固的作用，杜绝出现上层顶板落石落土等问题，保证掘进时的稳定性和安全性。

3.施工机械应用分析
对于复杂的地质情况，采掘时都要认真分析，依据实际的地质情况选择合理
的掘进技术手段，以最大程度地保证掘进施工，保障人员和机具的安全。

同时，
运用综掘机进行掘进时，综掘机和截齿的选择也很重要。

着力把握以下两点：一
是综掘机的选型。

它对采煤有重要的作用，针对地质情况主要是衡量综掘机是否
满足掘进支护的相关要求。

其中：①巷道断面的适用性；②切割功率和强度大小；
③考虑运行效率和煤岩强度的高低。

④考虑综掘机的配件供应和质量等问题。

二
是选择截齿。

要根据地质情况和强度，选择合适的截齿。

合理的截齿有利于在掘
进中提高效率和速度，同时也能防止截齿出现伤痕与磨损。

在此，值得注意的是：当岩石强度大于截齿的强度时，不能强行掘进，或选用更坚硬的截齿，或另想他法，避免出现损害机具等问题。

4.掘进机快速施工要点
①掘进机切割头的最佳切割深度取决于煤岩的截割阻力，要以牵引油缸回路
不溢流、截割电机接近满载、机器不产生强烈振动为原则；兼顾安全，严防抽漏顶，最大限度的推进切割深度，以提高单循环进尺。

②根据巷道净高，顶板自稳
性差易抽冒，在切割时应先从巷道中间进刀，自下而上迂回切割，以增大其自由面，还有利于装载和提高切割速度；能防止突然冒落的大块矸石砸在切割头上，
影响掘进机在切入过程中的稳定性；确保巷道成形和支护质量。

③在切割时，还
应考虑煤岩的层理，切割头应沿层理方向移动，不应横断层理，避免增加掘进机
载荷而影响切割速度和破坏顶板的完整性等问题。

5.支护方案的选优
1）选优原则。

根据地质特征和围岩应力状况，采用锚索网主动方式支护时，则在原岩应力作用下，巷道不能维持自身的稳定，松动破坏将由巷道上部开始，
逐渐向下部和两帮发展，达到一定程度和范围时，由上向下产生台阶式下沉，最
终会导致顶板垮落。

为此，应按照“技术经济合理”的原则进行，比如采用架U
型棚方式支护。

2）顶板压力计算。

根据矿山压力和控制理论中的采场顶板压力计算法(估算法)，对综掘面顶板压力预估：Q=M×K×R。

式中：Q为考虑直接顶及老顶来压时
的支护强度（t/m2）；M为复合顶板岩石厚度（m）；K为增载系数（一般6～8）；R为直接顶板岩石平均容重（t/m3）。

根据该计算结果，可选择满足支护强度的U 型钢作为支护材料。

可根据综掘设备安装与使用要求，将巷道断面设计为带扎脚
圆弧拱形；圆弧拱高度和圆心的确定，应根据掘进机的适宜高度选择墙体高度；
再根据煤层厚度和满足采掘作业安全空间要求，最终确定U型钢棚支护形式及巷
道断面。

6.实现快速掘进的保障措施
1）机轨合一。

掘进巷道内布置皮带机、轨道，皮带机用于向外输出煤(矸)，轨道用于向迎头运送材料和设备。

改变过去掘进巷道内皮带机、轨道不能共用的
弊端，这能减轻工人的劳动强度，提高工作效率，为实现快速掘进提供保障。

2）分部施工。

为有效控制顶板和加快掘进，将综掘迎头分上、下断面分部
施工，即掘进机先切割上部煤(矸)留半断面微台阶煤肚，一次性切割够两棚距离，待够挂栅粱高度后及时窜金属前探梁并挂好棚梁。

顶部临时支护后，再挖掘下部
煤(矸)和栽腿。

这能控制顶板抽冒，又能快速掘进。

3）平行作业。

施工中的支护时间往往占一次正规循环时间的大半以上，其
时间长短也直接关系到每循环时间、次数和进尺量。

最大限度地平行作业，才能
缩短支护时间，提高掘进单进水平。

所以在分部施工的基础上，要优化工序，以
快掘为目的，充分利用有限时间和空间。

做好计划、组织、指挥、协调和控制工作，以较短的时间达到预期目标(如图1)。

结论：①掘进施工中，通过科学的设计和合理的组织，可使速度得到大大提高；运用合理的支护方式，能缩短巷道支护周期，避免二次维修，保障巷道成型，改善安全生产环境，提高安全程度。

②地质复杂巷道，采用综掘和U型棚支护，
能有效控制住巷道顶板抽冒和服务期间的维修，并减小安全威胁；能克服煤层松软、片帮、直接顶自稳性差等因素，为快速掘进奠定基础。

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