潞安煤礦綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)實(shí)踐

周 波

（山西潞安工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程背景

潞安煤礦S工作面位于-500水平東二采區(qū)，所采12#煤層平均厚度4.05m，平均抗壓強(qiáng)度14.6MPa，煤體較松軟，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，支護(hù)難度較大。煤層上為0.2～0.6m厚炭質(zhì)泥巖偽頂，層理及微裂隙十分發(fā)育，煤層直接底為0.8～1.2m灰黑炭質(zhì)泥巖，直接影響掘進(jìn)速度和安全生產(chǎn)[1]。

S工作面運(yùn)輸、回風(fēng)巷高3.0m，寬4.75m，為直墻半圓拱形，錨網(wǎng)索支護(hù)。

圖1 潞安煤礦S工作面巷道布置圖

2 影響綜掘速度的因素

（1）掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)備。掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)備的選擇，直接影響掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)短，潞安煤礦現(xiàn)采用舊式掘進(jìn)機(jī)的煤巷存在進(jìn)退頻繁、機(jī)底下陷問(wèn)題，直接影響綜掘效率；支護(hù)所用錨桿鉆機(jī)需要人工進(jìn)行頻繁移動(dòng)，進(jìn)一步限制了進(jìn)尺水平提升，掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)機(jī)率也受到嚴(yán)重影響。

（2）支護(hù)工序。經(jīng)測(cè)算，支護(hù)工序、割煤工序、運(yùn)輸工序所占總時(shí)間分別為50%～60%、20%～30%、10%～15%，可見(jiàn)支護(hù)工序占用時(shí)間最長(zhǎng)。

（3）施工工藝。懸臂式掘進(jìn)機(jī)配合單體錨桿鉆機(jī)、后配裝載機(jī)和膠帶輸送機(jī)的綜合機(jī)械化掘進(jìn)屬于潞安煤礦應(yīng)用最為廣泛的掘進(jìn)工藝，該工藝施工流程可以描述為：“綜掘機(jī)割煤→出煤→掘進(jìn)機(jī)后撤→單體錨桿機(jī)人工移至工作面→連接風(fēng)水管路→啟動(dòng)→錨桿機(jī)鉆孔→安裝→工作結(jié)束→推出錨桿機(jī)→進(jìn)入新工作面→循環(huán)作業(yè)”，長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該掘進(jìn)工藝在短掘短支、一掘一支循環(huán)作業(yè)時(shí)比較高效。

3 綜掘快速掘進(jìn)研究

3.1 數(shù)值模擬

為尋找合理的循環(huán)進(jìn)度和支護(hù)方式，利用三維有限差分軟件FLAC3D開(kāi)展快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的數(shù)值模擬，建立S工作面模型的長(zhǎng)、寬、高為300m×60m×115m，采用半圓拱型斷面，模型取一半以保證對(duì)稱(chēng)性。

3.1.1 不同掘進(jìn)進(jìn)尺掘進(jìn)頭應(yīng)力場(chǎng)分布

模擬0.8m、1.6m、2.4m、3.2m四個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺方案時(shí)的不同應(yīng)力分布?？梢缘贸鼍蜻M(jìn)尺寸3.2m時(shí)，掘進(jìn)頭頂板顯著應(yīng)力集中，這種端頭效應(yīng)帶來(lái)的影響顯然對(duì)巷道掘進(jìn)不利；1.6～2.4m時(shí)應(yīng)力集中程度、擾動(dòng)影響范圍對(duì)安全快速掘進(jìn)影響不大；0.8m、1.6m、2.4m、3.2m時(shí)均存在掘進(jìn)頭前方煤體及頂?shù)装鍛?yīng)力增大區(qū)。

考慮到S工作面實(shí)際，出于安全考量，確定一般條件下采用1.6m的掘進(jìn)進(jìn)尺，如頂板條件較為優(yōu)越則采用2.4m掘進(jìn)進(jìn)尺。因此，確定每天進(jìn)尺為 14.4～21.6m[2]。

3.1.2 不同支護(hù)方式掘進(jìn)頭應(yīng)力場(chǎng)分布

不同支護(hù)方案模擬結(jié)果如下：

（1）僅有錨桿支護(hù)時(shí)。掘進(jìn)頭附近應(yīng)力集中明顯，頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)及拉伸破壞區(qū)發(fā)育范圍較大，錨桿主要承受剪切和徑向拉伸力，雖圍巖未發(fā)生強(qiáng)度破壞，但“弱化高度”明顯加大，不利于快速掘進(jìn)。

（2）錨桿與錨索耦合支護(hù)時(shí)。巷道頂板6～8m范圍內(nèi)形成了耦合承載區(qū)，掘進(jìn)頭附近應(yīng)力集中明顯，錨索發(fā)揮了懸吊作用、多排錨桿錨索共同作用產(chǎn)生了連續(xù)支持點(diǎn)，錨桿與錨索耦合支護(hù)減緩了頂板下沉。錨桿與錨索耦合支護(hù)，其作用主要體現(xiàn)在減少巷道底板塑性區(qū)發(fā)育范圍，通過(guò)降低底板鼓起量，可有效防治煤巷快速掘進(jìn)底鼓。

最終確定S工作面選擇錨桿與錨索耦合支護(hù)方式，必要時(shí)候遵循“降低速度，確保安全”原則，如煤層變薄帶、斷層，同時(shí)還需要補(bǔ)打底角錨桿。

3.2 技術(shù)措施

3.2.1 掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備的選擇

S工作面煤巷掘進(jìn)選擇了MRH-S150型綜掘機(jī)，該型號(hào)綜掘機(jī)具備切割能力強(qiáng)、圍巖條件適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；錨桿鉆孔設(shè)備選擇了MQT-85J2型齒輪風(fēng)動(dòng)式錨桿鉆機(jī)，該型號(hào)錨桿鉆機(jī)能夠大幅提升支護(hù)速度。

3.2.2 支護(hù)工序

（1）錨桿錨索耦合支護(hù)?？梢越Y(jié)合圍巖特征靈活掌握支護(hù)密度，必要時(shí)采用后路補(bǔ)打錨索強(qiáng)化支護(hù)方式并配合合理增大錨桿間排距措施。

（2）調(diào)整錨孔裝藥量、樹(shù)脂錨固劑膠凝時(shí)間。結(jié)合數(shù)值模擬，將Z2835型樹(shù)脂藥卷由原來(lái)的兩支優(yōu)化為一支，將樹(shù)脂錨固劑膠凝時(shí)間由原來(lái)的1min縮短為 20～30s。

（3）支護(hù)順序。打兩幫錨桿，可滯后頂板錨桿一排，錨索滯后迎頭15m安裝[3]。

3.2.3 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)改造

考慮到同類(lèi)巷道常出現(xiàn)破頂?shù)拙蜻M(jìn)、局部地段產(chǎn)生大量矸石情況，在S工作面巷道輔助運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)展了針對(duì)性改造，將原有的刮板輸送機(jī)更新為改裝過(guò)的SDP-650型膠帶輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)了上帶運(yùn)煤、下帶運(yùn)送部分材料功能。

3.2.4 優(yōu)化配置“掘、支、運(yùn)”

（1）“掘、支”聯(lián)合?？紤]到傳統(tǒng)錨桿支護(hù)施工工序過(guò)于繁雜，可采用機(jī)載錨桿鉆機(jī)開(kāi)展施工，改變錨桿鉆孔安裝與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)不平衡現(xiàn)象，提升成巷速度、縮短錨桿有效作業(yè)時(shí)間。

（2）縮短輔助工序。為進(jìn)一步提升綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果，采用了部分工序平行作業(yè)措施，如通風(fēng)、鋪設(shè)軌道、交接班、延長(zhǎng)管線等工序。

4 結(jié)論

潞安煤礦S工作面綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，有效克服了高地應(yīng)力、大斷面、偽頂?shù)炔焕蛩赜绊?，取得月進(jìn)尺460m的好成績(jī)，這一成績(jī)的取得與合理掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度、支護(hù)工序改進(jìn)、輔助運(yùn)輸連續(xù)化的優(yōu)化配置、高質(zhì)量配合存在直接聯(lián)系，具備一定的借鑒價(jià)值。