一种采空区内煤层复采巷道掘进方法与流程

本发明涉及一种巷道掘进及支护方法，尤其涉及一种煤矿采空区内煤层复采巷道掘进方法，属于煤炭开采技术领域。

背景技术：
长期以来，我国煤炭资源开采中一直存在着回收率低、浪费严重的情况。原因在于，矿井开采初期，因为采煤技术落后，管理不善，大量煤炭资源被遗失在采空区中。在煤炭这种不可再生资源日益减少的形势下，回收采空区中剩余的煤炭资源势在必行。而采空区复采是提高煤炭资源回收率的重要途径之一，对于延长矿井的服务年限具有深远的现实意义。采空区残煤资源存在形态差异往往很大，赋存条件差、安全保障程度低和生产管理难等诸多问题，这是复采残煤的技术难题。并且，采空区内的煤与矸石经上覆岩层压紧和胶结作用，形成再生的岩体。岩体主要为散体及部分碎裂结构，整体硬度小。在爆破掘进巷道时，顶板、两帮容易破碎，支护难度大，掘进工作面顶板如果保护不好，易出现跨落。严重影响掘进速度，影响复采经济效益。为尽最大可能回收采空区残煤资源，实现安全复采，必须在巷道布置、采煤工艺、安全生产技术等多方面进行改进或探索。总之，采空区内煤层复采掘进和支护是一个复杂的系统工程。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种安全性好，施工工艺简单的一种煤矿采空区内煤层复采巷道掘进施工方法。本发明为实现上述目的，需要解决的首要技术问题是，如何在爆破、掘进巷道时，对巷道顶板和两帮进行有效支护的技术问题。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种采空区内煤层复采巷道掘进方法，其特征在于：采用钢棚进行巷道支护；施工过程中，使用前探钢钎配合吊挂式前探梁进行顶板临时支护；所述钢棚为组合式结构，整体呈“∏”字形，数量为若干；每一架钢棚均包括两根棚腿和一根棚梁；其中，钢棚棚梁的上表面与巷道顶板接触，支撑住顶板；所述棚腿和棚梁均为工字钢，在每一根棚梁的下表面上，均设置有两个卡钳式吊挂器；所述前探梁为一π型钢梁，由前、后两个以上的卡钳式吊挂器吊挂在棚梁的下方，前探梁靠近掘进工作面的那一端端部与掘进工作面之间保留0.1-0.2米的间距；若干数量的钢棚成等间距的依次排列在掘进巷道内，并随着掘进工作面的向前掘进，不断在最靠近掘进工作面的那架钢棚的前方位置架设新的钢棚，如此往复循环进行；以与掘进工作面的相对距离远近为排序原则，最靠近掘进工作面的那架钢棚为第一架；所述第一架钢棚是随着掘进工作面的向前推进，不断地被新的钢棚取代的一个动态变化过程；上述第一架棚梁的腹板上，等间距开设有若干数量的通透圆孔，在掘进过程中只需要两根开设通透圆孔的棚梁即可；具体施工方法，包括以下步骤：第一步，在巷道内，掘进工作面前方0.1-0.2米处架设钢棚；第二步，使用煤电钻，保持其钻杆沿水平方向依次穿过上述各通透圆孔，在掘进工作面上打若干数量的钢钎眼；其中，钢钎眼眼深1.5-1.8米，前探钢钎长度1.8-2.0米，钢钎眼的数量与上述通透圆孔数量相等；然后，分别将若干数量的前探钢钎穿过与其对应的各通透圆孔，并钉入对应的钢钎眼内，以供爆破时对顶板起到支撑保护作用；第三步，在上述钢钎眼下方0.3-0.5米以外的区域内，打若干数量的炮眼，采用全断面一次打眼一次装药串联起爆成巷，炮眼眼距为0.3-0.5米、炮眼眼深1.2-1.4米，装填炸药后，引爆爆破；每爆破循环进尺1.0-1.1米，爆破完成后，经确认现场安全无危险后，抽出前探钢钎，并加固顶板支护，再进行找顶，并及时清除悬浮的危岩和活石；找顶完成后，铺联顶网；第四步，使用液压支柱配合长木料将联顶网顶起，液压支柱应戗向巷道掘进工作面方向，以保证联顶网能够封住顶板、裹住掘进工作面上部煤壁，然后向前推移两根前探梁直至其端部距爆破后形成的新的掘进工作面0.1～0.2米位置处，再在原第一架钢棚的前方、前探梁上，搁置另一根开设通透圆孔的棚梁，以着手支设一架新的钢棚；此时把原第一架钢棚中开设通透圆孔的棚梁替换成普通的棚梁，这样两根开设通透圆孔的棚梁交替使用，保证掘进过程中有两根开设通透圆孔的棚梁即可；在此作业之前和作业过程中，随时敲帮问顶，并根据需要，及时使用长柄工具处理掉可能存在的危岩或活石；待上述另一根棚梁搁置就位后，在该棚梁与前探梁的接触面打入木楔，以使该棚梁的上表面顶紧巷道顶板；然后，启动刮板输送机，由人工将垮落的煤和矸石分别铲至刮板输送机上，运出巷道；待垮落的煤和矸石清理干净后，进行上述的新钢棚的两根棚腿的安装，直至钢棚架设完毕，形成该巷道位置处的永久支护；第五步，重复上述第一步至第三步，直至整个巷道各位置处均形成永久支护。上述技术方案直接带来的技术效果是，将钢棚、前探梁和前探钢钎三者有机地结合起来，以实现掘进过程中对巷道顶板的超前支护；施工过程中，使用前探钢钎配合吊挂式前探梁进行顶板临时支护，较好地解决了采空区内复采巷道掘进爆破时，对巷道顶板有效支护的技术难题。为更好地理解这一“难题”的难点之所在，简要释明如下：采空区内的煤与矸石经上覆岩层压紧和胶结作用，形成再生的岩体。岩体主要为散体及部分碎裂结构，整体硬度小。在爆破掘进巷道时，顶板、两帮容易破碎，支护难度大，掘进工作面顶板如果保护不好，易出现跨落。并且，上述技术方案，施工操作简单、灵活，设备与工具投入少，掘进速度快，劳动效率高。优选为，上述的采空区内煤层复采巷道掘进施工方法，其特征在于，相邻的两个钢棚之间的间距为1-1.6米。该优选技术方案直接带来的技术效果是，相邻的两个钢棚(永久支护单元)之间的间距为1-1.6米，可以确保对顶板形成稳固、可靠的支护效果。进一步优选，上述的采空区内煤层复采巷道掘进施工方法，其特征在于，在倾斜巷道的条件下，前探梁的吊挂与移动过程中，还需要配合使用防滑绳将前探梁拴紧并固定在相应的棚梁上，以防止前探梁松脱滑落伤人。该优选技术方案直接带来的技术效果是，配合使用柔性的防滑绳将前探梁拴紧并固定在相应的棚梁上，可以起到更好的固定作用；并且，防滑绳使用上也十分简便，并可快速更换或拆卸至另一处使用。进一步优选，上述前探钢钎材质为合金钢。该优选技术方案直接带来的技术效果是，合金钢具有较高的硬度、刚度和良好的耐磨性。一方面，可以承受临时支护时可能需要承受的较大的剪切力；另一方面，可以增加有效地重复使用次数，延长使用寿命。进一步优选，上述通透圆孔的数量为5个以上。该优选技术方案直接带来的技术效果是，通常，巷道的宽度一般在2.4-2.6米，通透圆孔的数量为5个以上(亦即，前探钢钎之间的间距≤0.65米)，根据本领域技术人员的经验，这足以保证破碎顶板条件下的有效支护或支撑，并可以有效阻挡住潜在的或者可能垮落的危岩或活石。进一步优选，上述钢棚的两根棚腿分别与左右巷帮保留0.1米间距。该优选技术方案直接带来的技术效果是，“钢棚的两根棚腿分别与左右巷帮保留0.1米间距”，便于棚腿的安装与就位：在地板上挖窝、栽棚腿、将倾斜的棚腿扶正并使其上端端部顶紧中棚梁下表面(以使棚梁顶紧在顶板上)，这一系列的施工操作。综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：1、解决了采空区内煤层复采过程中，特别是在巷道爆破掘进时，对巷道顶板和两帮进行有效支护的技术难题。即，解决了采空区内复采过程中安全生产的技术难题。2、巷道掘进与支护操作简单、施工快速、安全性、稳定性与可靠性好；同时，保证了掘进工作面顶板的完整性，缩短了采空区内复采巷道掘进的时间。3、实现了采空区内煤层复采，提高了矿井的煤炭回收率，延长了矿井的服务年限。附图说明图1为本发明的采空区内煤层复采巷道掘进工作面剖面结构示意图；图2为本发明的采空区内煤层复采巷道掘进工作面俯视结构示意图(爆破前)；图3为本发明的采空区内煤层复采巷道掘进工作面俯视结构示意图(爆破后)；图4为本发明的前探钢钎与钢棚棚架组装结构示意图。附图标记说明：1、卡钳式吊挂器，2、钢棚，3、掘进工作面，4、木楔，5、刮板输送机，6、前探钢钎，7、煤电钻，8、前探梁，9、联顶网，10、液压支柱，101、开设通透圆孔的棚梁，102、棚梁，103、棚腿。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。如图1至图4所示，本发明的采空区内煤层复采巷道掘进施工方法，其采用钢棚2进行巷道支护；施工过程中，使用前探钢钎6配合吊挂式前探梁8进行顶板临时支护；上述钢棚2为组合式结构，整体呈“∏”字形，数量为若干；每一架钢棚2均包括两根棚腿103和一根棚梁102；其中，棚梁102的上翼板与巷道顶板接触，支撑住顶板；上述棚腿102和棚梁103均为工字钢，在每一根棚梁102的下翼板的下表面上，均设置有两个卡钳式吊挂器1；上述前探梁8为一π型钢梁，由前、后两个以上的卡钳式吊挂器1吊挂在钢棚棚梁102的下方，前探梁8靠近掘进工作面3的那一端端部与掘进工作面3之间保留0.1～0.2m的间距；若干数量钢棚2形成一个等间距的队列，依次排列在巷道内的掘进工作面3前方，并随着掘进工作面3的向前推进，不断在原有钢棚2队列中最靠近掘进工作面3的那个钢棚2的前方位置处架设新的钢棚2；以与掘进工作面3的相对距离远近为排序原则，最靠近掘进工作面3的那个钢棚2为第一架；上述第一架钢棚是随着掘进工作面3的向前推进，不断地被新的钢棚取代的一个动态变化过程；上述第一架棚梁102的腹板上，等间距开设有若干数量的通透圆孔；具体施工方法，包括以下步骤：第一步，在巷道内，掘进工作面3前方0.1-0.2米处架设钢棚2；第二步，使用煤电钻7，保持其钻杆沿水平方向依次穿过上述各通透圆孔，在掘进工作面3上打若干数量的钢钎眼；其中，钢钎眼眼深1.5-1.8米，前探钢钎6长度1.8-2.0米，钢钎眼的数量与上述通透圆孔数量相等；然后，分别将若干数量的前探钢钎6穿过与其对应的各通透圆孔，并钉入对应的钢钎眼内，以供爆破时对顶板起到支撑保护作用；第三步，在上述钢钎眼下方0.3-0.5米以外区域内，打若干数量的炮眼，采用全断面一次打眼一次装药串联起爆成巷，炮眼眼距为0.3-0.5米、炮眼眼深1.2-1.4米，装填炸药后，引爆爆破；每爆破循环进尺1.0-1.1米，爆破完成后，经确认现场安全无危险后，抽出前探钢钎6，并加固顶板支护，再进行找顶，并及时清除悬浮的危岩和活石；找顶完成后，铺联顶网；第四步，使用液压支柱10配合长木料将联顶网顶起，液压支柱10应戗向巷道掘进工作面方向，以保证联顶网9能够封住顶板、裹住掘进工作面上部煤壁，然后向前推移两根前探梁8直至其端部距爆破后形成的新的掘进工作面0.1-0.2米位置处，再在原第一架钢棚2的前方、前探梁8上，搁置另一根开设通透圆孔的棚梁101，以着手支设一架新的钢棚2。此时把原第一架钢棚中开设通透圆孔的棚梁101替换成普通的棚梁102，这样两根开设通透圆孔的棚梁101交替使用，保证掘进过程中有两根开设通透圆孔的棚梁101即可；在此作业之前和作业过程中，随时敲帮问顶，并根据需要，及时使用长柄工具处理掉可能存在的危岩或活石；待上述另一根棚梁102搁置就位后，在该棚梁102与前探梁8的接触面打入木楔，以使该棚梁的上表面顶紧巷道顶板；然后，启动刮板输送机5，由人工将垮落的煤和矸石分别铲至刮板输送机5上，运出巷道；待垮落的煤和矸石清理干净后，进行上述的新钢棚2的两根棚腿103的安装，直至钢棚2架设完毕，形成该巷道位置处的永久支护。第五步，重复上述第一步至第三步，直至整个巷道各位置处均形成永久支护。上述的采空区内煤层复采巷道掘进施工方法，其相邻的两个钢棚2之间的间距为1-1.6米。上述的采空区内煤层复采巷道掘进施工方法，其在倾斜巷道的条件下，前探梁8的吊挂与移动过程中，还需要配合使用防滑绳将前探梁拴紧并固定在相应的棚梁102上，以防止前探梁松脱滑落伤人。上述前探钢钎6材质为合金钢。上述通透圆孔的数量为5个以上。上述钢棚2的两根棚腿分别与左右巷帮保留0.1米间距。为更好地理解本发明的技术特点，现以山东鲁泰控股集团有限公司太平煤矿复采区303下顺槽巷道掘进为例，进行举例说明。实施例1太平煤矿复采区基本情况如下：6301工作面从1998年11月至2000年11月共采出原煤79.2万t；6303工作面2001年10月至2002年9月共采出原煤88.2万t；6305工作面2000年3月至2002年5月共采出原煤67.5万t；6307工作面2001年2月至2001年9月共采出原煤46.9万t。通过计算复采区剩余可采储量约为107.1万t。复采区303下顺槽巷道处于原6305工作面范围内。6305工作面的回采后丢弃在采空区的剩余煤层厚度为0～5m，平均3m，属稳定煤层，结构简单，硬度系数f＝2.5，下部煤层中含有一层不稳定的粘土岩夹石，厚0～0.68m，f＝3，下与6煤相距44.08m。顺槽沿煤层底板施工，局部过断层或受回采影响将施工岩石巷道。在复采区303下顺槽巷道设计长度573m(平距)，服务年限二年。复采过程中，所使用的主要材料：1、联卷网：顶部为菱形金属网，规格均为长×宽＝2000×1000mm。网子要对茬连接，相邻两块网之间用16#铁丝连接，连接点要均匀布置，间距100～200mm。菱形网网片厚度14～20mm，网片不平度≤20mm，应无咬痕、无脱扣；塑料网主要技术指标：每延米横(纵)向拉伸强度≥30KN/m，每延米横(纵)向拉伸伸长率≤25％。2、钢棚：11#矿用工字钢梯形支架，棚梁净长2.6m；棚腿长2.6m。3、木楔：由硬质材木制作，刃角为15°。4、前探梁：两根长度3400mm的π型钢梁。5、液压支柱：2棵DW25(DW28)型液压支柱，配合柱帽(0.1×0.1×1.2m3)。6、爆破材料：炸药：使用二级煤矿许用乳化炸药，规格：每卷重0.2kg；雷管：选用煤矿许用毫秒延期电雷管，段号为1～5段，最后一段的延期时间不得超过130ms；发爆器：使用FD200或FD200T型煤矿用电容式发爆器，发爆器应在清洁、干燥、无硫化物、无毒物处存放，并有专人保管；放炮母线：采用矿配发“煤矿用移动轻型橡套软电缆”，型号MYQ-0.3/0.5(1.0～2.5)mm2，不得有明接头，严禁用固定母线放炮。复采区303下顺槽巷道掘进施工前，所用材料备全。为加强顶板控制，该巷道掘进中采用“短进尺、弱爆破、小扰动”的施工原则。巷道遇顶板煤岩体松软破碎严重时，则采用“超前护顶、松动爆破、栽腿背帮”的施工原则。复采区303下顺槽巷道掘进具体施工方法以下：复采区303下顺槽巷道内、掘进工作面前方0.1米处，架设钢棚；使用风煤钻，保持其钻杆沿水平方向依次穿过前探梁钢棚棚梁腹板上等间距开设的5个通透圆孔，根据巷道不同处顶板的完整性可以增加通透圆孔的数量(至少5个)，在掘进工作面上打5个钢钎眼；钢钎眼眼深1.5米。然后，分别将5根前探钢钎穿过与其对应的各通透圆孔，并钉入对应的钢钎眼内，以供爆破时对顶板起到支撑保护作用；在上述钢钎眼下方0.3米以外的区域内，打若炮眼，掏槽眼4个，辅助眼11个，周边眼21个，底角眼9个，共45个炮眼。采用全断面一次打眼一次装药串联起爆成巷，炮眼眼距为0.5米、炮眼眼深1.0米，装填炸药后，引爆爆破；每爆破循环进尺1.0m，爆破完成后，经确认现场安全无危险后，抽出前探钢钎，并加固顶板支护，再进行找顶，并及时清除悬浮的危岩和活石；复采区303下顺槽巷道掘进工作面煤岩壁胶结性较差，出现煤壁片帮、顶板漏矸现象，为避免掘进工作面空顶距大造成顶板抽冒，先铺联顶网；再用液压支柱配合长木料将联顶网顶起，液压支柱应戗向巷道掘进工作面方向，以保证联顶网能够封住顶板、裹住掘进工作面上部煤壁。然后向前推移两根前探梁直至其端部距爆破后形成的新的掘进工作面0.1m位置处，再在前探梁上，搁置新的棚梁，搁置另一根开设通透圆孔的棚梁，以着手支设一架新的钢棚。此时把原第一架钢棚中开设通透圆孔的棚梁替换成普通的棚梁，这样两根开设通透圆孔的棚梁交替使用；在此作业之前和作业过程中，随时敲帮问顶，并根据需要，及时使用长柄工具处理掉可能存在的危岩或活石；在该棚梁与前探梁的接触面打入木楔，以使该棚梁的上表面顶紧巷道顶板；然后，启动刮板输送机，由人工将垮落的煤和矸石分别铲至刮板输送机上，运出巷道；待垮落的煤和矸石清理干净后，进行上述的新钢棚的两根棚腿的安装，直至钢棚架设完毕，钢棚间距为1.0m，形成该巷道位置处的永久支护。如此循环，直至复采区303下顺槽巷道掘进完毕，各位置处均形成永久支护。实际生产情况表明：在整个复采区303下顺槽巷道掘进过程中，未出现顶板垮落、落石等安全事故，所形成的永久支护安全性、可靠性好。