胡底煤業(yè)3#煤層底抽巷快速掘進技術(shù)研究與應(yīng)用

譚海龍

（山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司為突出礦井，現(xiàn)開采位于山西組下部的3#煤層，煤層平均厚度5.72 m，平均傾角6°，煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力分別為25 m3/t、3.83 MPa。由于煤層瓦斯含量較高，故在巷道煤巷掘進前采用施工底抽巷的方式降低待掘區(qū)域的瓦斯含量，以確保巷道掘進作業(yè)的正常施工。底抽巷具體布置位置如圖1。

3#煤層底抽巷沿5#煤掘進，掘進斷面為矩形，凈寬×凈高=4400 mm×3100 mm。頂板巖層為K6灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，支護方式為“錨網(wǎng)索”支護。為提升巷道掘進速度，特進行巷道快速掘進技術(shù)的研究。

圖1 工作面底抽巷位置示意圖

2 快速掘進技術(shù)

2.1 掘進工藝優(yōu)化分析

根據(jù)3#煤層底抽巷的層位及地質(zhì)條件可知，目前3#煤層底抽巷掘進時采用掘支單行作業(yè)，每個循環(huán)3 排，截割時間約為6～7 h，支護時間約為8～9 h。提升巷道掘進單行速度主要有三種措施，分別為提高掘進裝備水平、提高支護設(shè)備機械化、最大限度平行作業(yè)。但上述三種措施僅能夠在小幅程度上提升掘進速度，并無法大幅度實現(xiàn)掘進單行速度的提升。

若是能實現(xiàn)截割和支護平行作業(yè)，則會是整個工藝中最大效率的平行作業(yè)[1-3]。結(jié)合3#煤層底抽巷的具體地質(zhì)條件，最終確定巷道新型的快速掘進工藝為“割矸+架棚（錨索）支護+滯后錨桿支護”。采用該種掘進工藝可實現(xiàn)掘進機割煤矸與巷道支護的平行作業(yè)，達到提高單進水平的效果。

2.2 滯后支護模擬分析

為模擬分析錨桿補強支護與掘進工作面之間的合理滯后距離，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合3#煤層地質(zhì)條件，建立長×寬×高=100 m×46 m×41.8 m 的三維模型，模型側(cè)邊及底邊均作固定處理，頂部施加等效自重應(yīng)力，為20.8 MPa，模型兩側(cè)水平應(yīng)力施加為1.11 MPa，并結(jié)合3#煤層頂?shù)装鍘r層特征進行模型力學(xué)參數(shù)的賦值。

設(shè)置錨桿支護滯后掘頭的距離為5～60 m 的范圍，滯后距離每增加5 m 進行一次模擬分析，基于數(shù)值模擬結(jié)果得出圍巖垂直應(yīng)力及垂直位移情況如圖2。

圖2 錨桿支護滯后掘進頭不同距離下垂直應(yīng)力、位移

分析圖2 可知，在距掘進頭20 m 處，頂板應(yīng)力大幅增加到9.544 2×105MPa，增加了17.73%，增加幅度較大，而且在距掘進迎頭20～25 m 范圍內(nèi)，頂板垂直位移突然增大，表明在該區(qū)域頂板變形嚴重，頂板載荷會向巷道兩幫傳遞。為防止幫部出現(xiàn)大面積松動或片幫，在距掘進迎頭20 m 至滯后錨桿支護范圍內(nèi)的巷道幫部每2～3 排打一根中部錨桿，加強幫部支護強度。在距掘進迎頭60 m 處，巷道頂板應(yīng)力大幅增加到1.409 2 ×106MPa，增加了42.06%，而且在距掘進迎頭55 m 處，頂板下沉量超過了200 mm。因此根據(jù)巷道頂板應(yīng)力分布特征和垂直位移分析，大部分滯后錨桿支護沒能及時跟上，是造成巷道頂板變形嚴重、下沉量大幅度增加的原因。綜上，滯后錨桿支護距掘進工作面迎頭的距離不能超過50 m。

錨桿支護滯后掘進頭50 m 時，巷道圍巖垂直應(yīng)力及垂直位移云圖如圖3。

圖3 垂直應(yīng)力及垂直位移分布云圖

2.3 掘進工藝安全性分析

（1）頂板K6 灰?guī)r的穩(wěn)定性。底抽巷以K6 灰?guī)r為頂板，平均厚度1.8 m，深灰色灰?guī)r，巖石致密堅硬，普氏系數(shù)約6～8，頂板完整性好，采用架棚工藝可以有效結(jié)實頂板，保證頂板受力均勻[4-5]。

（2）架棚支護的可靠性。采用“單體柱+π型梁”一梁兩柱架棚支護，單體柱初撐力不小于12 MPa，棚與棚之間采用拉鉤聯(lián)鎖，每一列單體柱采用鋼絞線聯(lián)鎖，每一根單體柱加設(shè)防倒繩，同時按照原設(shè)計每兩排打兩根Ф22 mm×6300 mm 錨索，錨索預(yù)緊力不小于250 kN，保證了架棚支護段的頂板安全[6]。

（3）滯后錨桿的及時性。滯后錨桿補強支護隨掘進及時跟進，距迎頭不超50 m，確保了補強支護的及時性，保證頂板支護安全可靠。

3 快速掘進方案及效果

3.1 巷道支護方案

底抽巷采用錨網(wǎng)索支護，采用螺紋鋼錨桿，錨桿參數(shù)為Ф22 mm×2400 mm，頂板及兩幫錨桿間排距分別為1000 mm×1200 mm 和1100 mm×1200 mm；頂板錨索采用規(guī)格Ф22 mm×6300 mm 低松松弛鋼絞線錨索，間排距2000 mm×2400 mm；巷道表面鋪設(shè)10#鐵絲編織的金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)片搭接長度100mm。錨桿預(yù)緊扭矩400 Nm，錨索預(yù)緊力250 kN。具體巷道支護方式如圖4。

圖4 底抽巷支護方式示意圖

3.2 快速掘進方案

底抽巷快速掘進工藝流程，主要為：掘進機割煤矸與架棚、錨索支護同時施工，錨桿補強支護滯后掘進工作面50 m施工；快速掘進工藝施工工序為：割矸→架棚（錨索）支護→風(fēng)筒側(cè)頂、幫角錨桿施工；平行作業(yè)：在二運后錨桿補強支護→回棚。具體快速掘進工藝的各項要求如下。

（1）時間要求：① 3 h 割2 排矸，1.5 h 架2 架棚，支護2 根錨索、4 根錨桿；② 早班、中班平行進行滯后錨桿支護，每班4 排。

（2）割矸工序：進刀→截割→修邊→成形。

（3）架棚（錨索）永久支護工序：返托梁器→抬π 型梁上托梁器→上頂網(wǎng)（提前將鋼帶聯(lián)在網(wǎng)片上）并與π 型梁聯(lián)2～3 道→升托梁器、固定π 型梁、上兩側(cè)拉桿→π 型梁兩端升起單體柱（初撐力達到12 MPa）→用托梁器臨時支護升起第二排網(wǎng)片→施工頂部2 根錨索→放下托梁器臨時支護→鋪設(shè)風(fēng)筒側(cè)幫網(wǎng)→施工風(fēng)筒側(cè)頂角錨桿和幫角錨桿→聯(lián)頂網(wǎng)和幫網(wǎng)。

（4）滯后錨桿補強支護工序：采用錨桿鉆車支護，支護頂錨桿→施工行人側(cè)幫角錨桿→鋪設(shè)行人側(cè)幫網(wǎng)→支護剩余幫錨桿，聯(lián)網(wǎng)與支護平行作業(yè)。補強支護距工作面迎頭的距離不能超過50 m，皮帶距幫不小于0.5 m，底角錨桿起錨高度不超過0.9 m，永久抽放管路距工作面的距離不超過60 m。

（5）回棚工序：每天檢修班利用錨桿鉆車集中回棚，升起錨桿鉆車臨時支護與π 型梁接實→拆除π 型梁拉桿→將單體柱卸液→回收單體柱及柱鞋→降下臨時支護和π 型梁，離開頂板100 mm →升起鉆車平臺，距離π 型梁1.5 m →π 型梁兩側(cè)各站2 人，同時抬起π 型梁→將π 型梁放在指定地點。

具體3#煤層底抽巷快速掘進工藝方式如圖5。

圖5 快速掘進工藝示意圖

3.3 效果分析

1307 和1309 工作面底抽巷掘進時便采用新型掘進工藝，根據(jù)巷道掘進進尺記錄表，能夠得出巷道采用新掘進工藝后每月掘進進尺見表1。

表1 底抽巷掘進效率表

表1 可知，1309 工作面底抽巷采用快速掘進工藝施工時，6—11 月份平均單進水平為154 m/月，其中單進水平最高的月份為11 月，其數(shù)值達到211 m/月，相較于巷道原有掘進工藝105 m/月，掘進效率提升了100%，新型快速掘進工藝的平均單進水平提高47%，底抽巷掘進速度得到較大幅度的提升。

4 結(jié)論

根據(jù)3#煤層的賦存特征及底抽巷的布置層位，通過分析底抽巷采用掘支單行作業(yè)時的問題，確定新型快速掘進工藝為“割矸+架棚（錨索）支護+滯后錨桿支護”，并結(jié)合巷道支護進行快速掘進工藝的具體設(shè)計。根據(jù)掘進工藝的應(yīng)用效果可知，掘進效率提高了100%，快速掘進工藝應(yīng)用效果顯著。