深部高應(yīng)力煤巷的快速掘進(jìn)優(yōu)化研究

曹克忠

【摘 要】 深部開采礦井地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等影響更為突出，巷道掘進(jìn)受影響更為明顯，為緩解礦井采掘接替緊張局面，本文以3506巷掘?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)制約巷道掘進(jìn)效率提升的因素進(jìn)行綜合分析，并對(duì)掘進(jìn)、支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了巷道快速掘進(jìn)。具體研究成果為：1）3506巷采用EBZ-160MH掘錨機(jī)掘進(jìn)時(shí)存在部分掘進(jìn)工序不平行、掘進(jìn)效率低等問題，從割煤、裝載以及支護(hù)等方面對(duì)掘進(jìn)施工進(jìn)行優(yōu)化，從而提升掘錨機(jī)掘進(jìn)及支護(hù)效率;2）針對(duì)掘錨機(jī)兩側(cè)機(jī)載錨桿機(jī)無法施工巷道中間錨桿問題，采用FLAC3D對(duì)巷道永久支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，通過增加錨桿排距、減少錨桿數(shù)量并提升錨桿預(yù)緊力方式來取消巷道中間錨桿，提升巷道頂板支護(hù)效率;3）對(duì)巷道掘進(jìn)優(yōu)化后，作業(yè)人員勞動(dòng)效率以及巷道掘進(jìn)效率得以顯著提升，掘進(jìn)進(jìn)尺由10.4m/d提升至13.7m/d，掘進(jìn)速度提升31.7%，取得顯著優(yōu)化效果。研究成果可以為類似條件下礦井提供巷道掘進(jìn)優(yōu)化提供一定借鑒。

【關(guān)鍵詞】 快速掘進(jìn);掘錨機(jī);支護(hù)優(yōu)化;掘進(jìn)優(yōu)化;煤巷

【中圖分類號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）04-0001-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著采深增加巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)更為復(fù)雜、圍巖蠕變變形，巷道掘進(jìn)受到顯著影響，勞動(dòng)強(qiáng)度大，制約礦井高效生產(chǎn)。隨著煤炭開采技術(shù)的提升，礦井生產(chǎn)過程中面臨的采掘接替緊張局面更為明顯，雖然近些年來綜掘機(jī)、掘錨機(jī)應(yīng)用在一定程度上提升巷道掘進(jìn)效率，在一定程度上提升礦井生產(chǎn)效益，但是現(xiàn)場(chǎng)使用過程中仍存在適應(yīng)性較差問題。雖然眾多的研究學(xué)者從優(yōu)化巷道支護(hù)、改進(jìn)掘進(jìn)方式、優(yōu)化掘進(jìn)施工工序等方面提出巷道掘進(jìn)優(yōu)化方案，并在一定程度上提升巷道掘進(jìn)效率，但是由于不同礦井間現(xiàn)場(chǎng)條件存在較大差異，提出的優(yōu)化方案并不具備廣泛適用性。為此，文中以山西某礦3506回風(fēng)巷掘進(jìn)為研究對(duì)象，對(duì)制約巷道掘進(jìn)因素進(jìn)行分析，并針對(duì)性進(jìn)行優(yōu)化，以期能更好地促進(jìn)深部高應(yīng)力煤巷的快速掘進(jìn)。

1工程概況

3506為3采區(qū)集中回風(fēng)巷，沿著5號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，埋深平均856m。5號(hào)煤厚2.6～4.8m，平均3.3m，傾角5°，煤層硬度（f）0.7～1.1，掘進(jìn)時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量在0.38m3/min。為了掌握3506巷掘進(jìn)后圍巖失穩(wěn)影響因素，對(duì)巷道掘進(jìn)區(qū)域地應(yīng)力、圍巖應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試、評(píng)定，結(jié)果表明最大地應(yīng)力為25.8MPa，巷道掘進(jìn)處于高地應(yīng)力影響范圍內(nèi)。3506巷掘進(jìn)采用EBZ-160MH掘錨機(jī)施工，該設(shè)備在截割部上端布置有臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)、兩部折疊式錨桿機(jī)，實(shí)現(xiàn)了巷道掘機(jī)、錨固、支護(hù)等工藝連續(xù)進(jìn)行。

2巷道快速掘進(jìn)優(yōu)化

2.1巷道掘進(jìn)工序分析

采用EBZ-160MH掘錨機(jī)掘進(jìn)時(shí)主要的工序?yàn)楦蠲?、裝載以及支護(hù)，任意工序效率低下均會(huì)影響巷道掘進(jìn)效率。在提升巷道掘進(jìn)效率的同時(shí)提升確保圍巖控制能力，對(duì)保證巷道掘進(jìn)安全具有重要意義。根據(jù)3506巷掘進(jìn)實(shí)際情況，將巷道整個(gè)掘進(jìn)工作細(xì)分成以下幾個(gè)工序，交接班（地面）→安全檢查→割煤（裝運(yùn)）→敲幫問頂→臨時(shí)支護(hù)→鋪設(shè)錨網(wǎng)→清運(yùn)，具體見圖1。巷道掘進(jìn)采用“二九一六式”，每天兩個(gè)大班（9h）、一個(gè)檢修小班（6h），每個(gè)大班掘進(jìn)4個(gè)循環(huán)（一個(gè)循環(huán)1300mm），每天掘進(jìn)進(jìn)尺為10.4m。采用的掘進(jìn)方式雖然較普通的綜掘方式有所提升，但是仍存在較大的優(yōu)化空間，具體體現(xiàn)在交接班耗時(shí)過長(zhǎng)、中部錨桿無法采用錨桿機(jī)施工等。

2.2掘進(jìn)影響因素分析

制約巷道快速掘進(jìn)工序主要有：

交接班：運(yùn)料以及搬運(yùn)工序設(shè)備;

割煤：部分截割齒損壞、施工方法以及掘錨機(jī)操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作熟練度有待提升;

臨時(shí)支護(hù)：設(shè)備搬運(yùn)以及敲幫問頂?shù)裙ば蛭茨軐?shí)現(xiàn)平行作業(yè);

永久支護(hù)：人員安排混亂（10～15min），錨桿鉆進(jìn)故障（20min），水壓、風(fēng)壓過低以及連接頭脫落等（3min）;

延伸帶式輸送機(jī)：滾子搬運(yùn)等待時(shí)間（10min）、懸掛鋼絲繩準(zhǔn)備（6min）、帶式輸送機(jī)附近碎石和煤渣等排空（4min）;

清理掘進(jìn)面：設(shè)備查找（2min），多余支護(hù)材料撤出（3min）。

2.3掘進(jìn)優(yōu)化

交接班工作優(yōu)化：嚴(yán)格落實(shí)制定的掘進(jìn)工作標(biāo)準(zhǔn)化、工具管理標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)施作業(yè)點(diǎn)交班制度，最大程度實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，降低人員閑置時(shí)間;

割煤優(yōu)化：在巷道掘進(jìn)時(shí)適當(dāng)留一定厚度底煤作為后續(xù)施工平臺(tái)，有利于促進(jìn)頂板支護(hù)效率及確保作業(yè)安全，強(qiáng)化對(duì)掘錨機(jī)司機(jī)培訓(xùn)，提高作業(yè)熟練度;

巷道臨時(shí)支護(hù)優(yōu)化：將巷道臨時(shí)支護(hù)與敲幫問頂平行作業(yè)，頂板臨時(shí)支護(hù)主要通過掘錨機(jī)隨機(jī)攜帶的機(jī)載支護(hù)設(shè)備升起支撐頂板，在敲幫問頂同時(shí)升起機(jī)載支護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)平行作業(yè);

巷道永久支護(hù)優(yōu)化：巷道原有的永久支護(hù)工序不變，取消頂板中間錨桿，在不降低頂板巖層控制效果的同時(shí)降低永久支護(hù)耗時(shí);

清理掘進(jìn)面優(yōu)化：將巷道永久支護(hù)工序與掘進(jìn)面清理工序部分工作平行開展，具體包括有水管鋪設(shè)、托盤以及鉆眼工具回收等;

整個(gè)掘進(jìn)工序優(yōu)化：將巷道單個(gè)循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺提升至2.3m，除早班設(shè)備檢修外，中班及晚班各完成3個(gè)循環(huán)掘進(jìn)，每天完成6個(gè)循環(huán)。具體優(yōu)化后的掘進(jìn)流程見圖2。

對(duì)3506巷掘進(jìn)優(yōu)化后，巷道在1個(gè)月掘進(jìn)進(jìn)尺為512m，最大掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到16.2m/s，平均掘進(jìn)進(jìn)尺為13.7m/d，較未掘進(jìn)優(yōu)化前的10.4m/d掘進(jìn)速度提升31.7%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，對(duì)巷道掘進(jìn)優(yōu)化后3506巷掘進(jìn)效率顯著提升。

3巷道頂板永久優(yōu)化分析

機(jī)載錨桿機(jī)與巷幫間距為400mm，受到掘錨機(jī)中間立柱影響，錨桿機(jī)無法對(duì)巷道頂板中間錨桿進(jìn)行施工，一般是將臨時(shí)支護(hù)設(shè)備回撤后，采用錨桿鉆進(jìn)單獨(dú)施工中間錨桿，該種支護(hù)方式嚴(yán)重制約巷道支護(hù)效率。雖然巷道埋深達(dá)到856m，但是煤層本身堅(jiān)硬（f值0.7～1.1），同時(shí)頂?shù)装鍘r層為堅(jiān)硬砂巖，裂隙不發(fā)育、圍巖穩(wěn)定，雖然地應(yīng)力較高，但是堅(jiān)硬圍巖為巷道變形優(yōu)化提供了可靠條件。因此，提出取消頂板中間錨桿來達(dá)到提高圍巖支護(hù)效率目的。

3.1優(yōu)化方案分析

為了分析巷道頂板永久支護(hù)優(yōu)化后的圍巖控制效果，采用FLAC3D分析巷道永久支護(hù)改進(jìn)前后的圍巖變形破壞特征及圍巖變形情況。巷道支護(hù)采用高強(qiáng)錨桿規(guī)格φ22mm×2500mm、錨索規(guī)格為φ21.6mm×7500mm，輔助采用W鋼帶、菱形金屬網(wǎng)，錨桿、錨索排距分別為700mm、1600mm，具體各個(gè)支護(hù)方案參數(shù)見表1。

3.2塑性區(qū)及垂向應(yīng)力分析

方案1時(shí)圍巖頂板、底板及巷幫塑性區(qū)范圍分別為3.2m、3.7m、5.3m，頂板塑性區(qū)分布呈“扇形”，邊緣與頂板水平夾角約為50°;方案2是在方案1基礎(chǔ)上改變錨桿間距，頂板、底板及巷幫塑性區(qū)范圍分別為3.9m、4.5m、5.7m，頂板“扇形”塑性區(qū)邊緣與頂板水平夾角為33°，在此支護(hù)條件下圍巖塑性區(qū)分布范圍明顯增加，在保持錨桿預(yù)緊力不變情況下單純?cè)黾渝^桿排距不利于維護(hù)圍巖穩(wěn)定。

方案3在方案2基礎(chǔ)上保持錨桿間距不變、增加預(yù)緊力，頂板、底板及巷幫塑性區(qū)范圍分別為3.0m、3.2m、4.9m，頂板“扇形”塑性區(qū)邊緣與頂板水平夾角約為55°，方案3較方案2、方案1條件下圍巖塑性區(qū)分布范圍明顯降低，表明增加錨桿預(yù)緊力的同時(shí)增加錨桿間距可以在圍巖控制效果不變情況下降低錨桿支護(hù)數(shù)量，提高錨桿支護(hù)效率。

方案4為增加錨桿數(shù)量的同時(shí)減少錨索，圍巖塑性區(qū)分布與方案3相似，頂板“扇形”塑性區(qū)范圍有所降低，邊緣與頂板水平夾角約為58°，雖然降低錨索增加錨桿在一定程度上有利于圍巖控制，但是由于中部施工的錨桿采用機(jī)載錨桿機(jī)施工時(shí)受到中間立柱影響，無法實(shí)現(xiàn)中間錨桿施工，若增加錨桿數(shù)量不利于增加巷道永久支護(hù)效率，制約巷道掘進(jìn)效率。

同時(shí)在方案1～4中圍巖最大垂向應(yīng)力分別為30.8MPa、32.3MPa、29.2MPa、30.5MPa，方案3圍巖垂向應(yīng)力最小、降低幅度最大，這表明增加錨桿預(yù)緊力的同時(shí)增加錨桿排距可以對(duì)圍巖有效控制。

3.3圍巖變形分析

為掌握不同支護(hù)方案下圍巖變形，在巷道圍巖布置測(cè)線對(duì)頂?shù)装?、巷幫變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體不同方案下的變形情況見圖3。

從圖3看出，增加錨桿排距會(huì)在一定程度上增加圍巖變形，提高錨桿預(yù)緊力及改變錨索、錨桿排距可以在一定程度上減緩圍巖變形。從圖3中看出，綜合分析巷道圍巖變形，方案3條件下圍巖控制起到較好的效果，采用增加錨桿預(yù)緊力、減少錨桿支護(hù)數(shù)量方式在圍巖控制效果、錨桿支護(hù)效率以及經(jīng)濟(jì)方案均可起到較好效果。在方案3中取消巷道頂板中部錨桿，實(shí)現(xiàn)了掘錨機(jī)兩側(cè)機(jī)載錨桿機(jī)平行作業(yè)，提升了巷道掘進(jìn)效率。

4總結(jié)

深部煤巷掘進(jìn)過程中受到高地溫、高地應(yīng)力影響，在一定程度上制約巷道掘進(jìn)及支護(hù)效率，采用掘錨機(jī)可以在一定程度上提升巷道掘進(jìn)效率。對(duì)3506巷采用EBZ-160MH掘錨機(jī)使用過程中制約巷道掘進(jìn)效率因素進(jìn)行分析，并從交接班、截割破煤、支護(hù)等方面提出優(yōu)化措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有巷道掘進(jìn)效率較優(yōu)化前提升31.7%。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)巷道永久支護(hù)優(yōu)化進(jìn)行分析，結(jié)果表明通過增加錨桿預(yù)緊力、降低錨桿數(shù)量，可以整體上確保巷道圍巖控制效果。優(yōu)化后的巷道永久支護(hù)方案取消巷道頂板中間錨桿，并適當(dāng)增加了錨桿預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)了EBZ-160MH掘錨機(jī)兩側(cè)機(jī)載錨桿機(jī)平行作業(yè)，有利于提升巷道圍巖支護(hù)效率，并提升巷道掘進(jìn)效率。

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