半煤巖巷道快速掘進(jìn)方案及支護(hù)設(shè)計(jì)

李繼蘇

（山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046300）

引言

隨著綜采自動(dòng)化水平和技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的綜采速度和效率顯著提升。對(duì)于煤礦生產(chǎn)而言，除了關(guān)鍵的煤層開采外還包括有煤礦建設(shè)、回采巷道的掘進(jìn)任務(wù)，而煤礦建設(shè)和回采巷道的掘進(jìn)速度無(wú)法與綜采速度相匹配。尤其是對(duì)于巖巷，由于巖層硬度較大、掘進(jìn)設(shè)備自動(dòng)化水平低以及技術(shù)落后等原因掘進(jìn)效率遠(yuǎn)滯后于煤層的開采效率[1]。因此，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備及技術(shù)的改進(jìn)，應(yīng)配套合理有效的支護(hù)方案提升巷道的掘進(jìn)效率和最終的巷道成型質(zhì)量。本文重點(diǎn)開展半煤巖巷道的快速掘進(jìn)技術(shù)研究，并為其匹配最佳的支護(hù)方案。

1 工程概況

半煤巖巷道與常規(guī)巖巷和煤巷有本質(zhì)的區(qū)別，該類型巷道在掘進(jìn)時(shí)為保證巷道的高度需要對(duì)煤層或者巖層額外掘進(jìn)一部分才能夠滿足要求。針對(duì)半煤巖巷道可采用挑頂和臥底兩種掘進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的掘進(jìn)，具體掘進(jìn)方式需結(jié)合礦井的實(shí)際情況綜合確定[2]。

本文以礦井431301 膠運(yùn)巷的掘進(jìn)為例開展研究，該巷道傾角范圍為0～3°，該巷道掘進(jìn)完成后為綜采工作面，該工作面的煤層平均厚度為1.14 m，屬于薄煤層；煤層的平均硬度為3.5。經(jīng)探測(cè)，該工作面瓦斯的相對(duì)涌出量為0.11m3/t，絕對(duì)涌出量為1.87m3/min。431301 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 431301 工作面頂?shù)装迩闆r

煤層和巖層的性質(zhì)是影響半煤巖巷道掘進(jìn)方式的主要因素。為保證巷道的掘進(jìn)效率，在實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)時(shí)應(yīng)盡可能地避免與相對(duì)較硬或者相對(duì)較軟的巖層或煤層相接觸。對(duì)于巷道的圍巖性質(zhì)而言，一般通過(guò)巖層的單軸抗壓強(qiáng)度、節(jié)理間距、巖芯質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理?xiàng)l件以及地下水條件綜合分析，最終通過(guò)RMR值對(duì)巖層的性質(zhì)進(jìn)行反映。通過(guò)勘測(cè)，431301 工作面基本頂細(xì)粒砂巖對(duì)應(yīng)的RMR 值為40；煤層的RMR值為27；底板粉砂巖的RMR 值為42。

經(jīng)分析可知，431301 工作面頂板細(xì)粒砂巖和底板粉砂巖的RMR 值為煤層RMR 值的1.5 倍，說(shuō)明431301 工作面的頂?shù)装鍡l件良好且簡(jiǎn)單，具備實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的條件。

2 半煤巖巷道掘進(jìn)方式的確定

對(duì)于具備快速掘進(jìn)條件的半煤巖巷道，巷道的層位選擇尤為重要，巷道層位形式的確定需遵循如下原則：

1）所確定巷道的層位形式需綜合考慮工作面綜合機(jī)械化開采的要求；

2）所確定巷道的層位形式需兼顧后期巷道的支護(hù)形式，保證其符合快速掘進(jìn)的要求；

3）所確定巷道的層位形式能夠保證巷道一次完成成型和支護(hù)[3]。

半煤巖巷道可采用的掘進(jìn)方式包括有挑頂巷道掘進(jìn)、臥底巷道掘進(jìn)以及挑頂兼臥底巷道的掘進(jìn)方式。為保證掘進(jìn)速度及效率最佳，本節(jié)將基于FLAC3D 軟件對(duì)不同掘進(jìn)方式下的巷道的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。根據(jù)431301 工作面的頂?shù)装迩闆r建立仿真模型，模型中從上到下分別為細(xì)粒砂巖、煤層和粉砂巖。根據(jù)實(shí)際勘測(cè)的巖層和煤層參數(shù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完畢后，對(duì)不同層位形式下巷道開采后的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真分析，最終選擇應(yīng)力最小層位進(jìn)行開采。

不同層位巷道開采時(shí)的應(yīng)力仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同層位巷道開采時(shí)的應(yīng)力云圖

如圖1 所示，圖1-1 中巷道上方兩個(gè)角落處應(yīng)力數(shù)值較大且為應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在下方兩個(gè)角落處的應(yīng)力較小并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖1-2 中巷道上方兩個(gè)角落處應(yīng)力數(shù)值較小并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在下方兩個(gè)角落處的應(yīng)力較大且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖1-3 中巷道上下兩放四個(gè)角落的應(yīng)力值均較大且均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，采用挑頂層位巷道開采時(shí)僅需對(duì)巷道頂板兩個(gè)角落處進(jìn)行支護(hù)；采用臥底層位巷道開采時(shí)僅需對(duì)巷道底板兩個(gè)角落處進(jìn)行支護(hù)；采用挑頂兼臥底層位巷道開采時(shí)需對(duì)巷道四個(gè)角落及巷道進(jìn)行支護(hù)[4]。

綜合考慮快速支護(hù)的條件和快速掘進(jìn)的要求，頂板支護(hù)技術(shù)更加成熟且便于實(shí)施，本工程將采用挑頂層位的方式對(duì)巷道布置。

3 半煤巖巷道掘進(jìn)方案及支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 半煤巖巷道掘進(jìn)方案的設(shè)計(jì)

針對(duì)半煤巖巷道可選擇采用掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)的現(xiàn)代化機(jī)械掘進(jìn)方案，還可以采用以傳統(tǒng)鉆眼爆破的掘進(jìn)方式。為提升巷道的掘進(jìn)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)，以掘進(jìn)機(jī)為主的巷道掘進(jìn)方式與鉆眼爆破掘進(jìn)方式相比具有效率高、人員強(qiáng)度低以及安全性高的優(yōu)勢(shì)，本工程采用以掘進(jìn)機(jī)為主的巷道掘進(jìn)方式[5]。結(jié)合對(duì)當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)性能的研究，選用EBZ-260H 掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，同時(shí)采用型號(hào)為CMM2-21 的液壓錨桿鉆車對(duì)巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)。為保證該工程巷道的掘進(jìn)效率，在上述基礎(chǔ)上還需配置如表2 所示的機(jī)械設(shè)備。

表2 巷道掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備

為保證巷道的掘進(jìn)效率，本工程采用“三八”制的工作制度，其中兩班為掘進(jìn)任務(wù)，另外一班為檢修任務(wù)。

3.2 半煤巖巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)半煤巖巷道頂板，本工程采用常規(guī)的錨桿與錨索聯(lián)合手段進(jìn)行支護(hù)，所選型錨桿的長(zhǎng)度為1 800 mm，直徑為18 mm，錨桿間排距離為1 000 mm，錨桿間距為800 mm；對(duì)應(yīng)錨索直徑為15.24 mm，錨索長(zhǎng)度為7 300 mm，每平方米布置錨索的數(shù)量為4根。半煤巖巷道斷面支護(hù)示意圖如圖2 所示。

圖2 半煤巖巷道斷面支護(hù)示意圖（單位：mm）

經(jīng)實(shí)踐表明，431301 巷道采用以EBZ-260H 掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)方案掘進(jìn)時(shí)，每月巷道的掘進(jìn)量為356.9 m；而采用傳統(tǒng)掘進(jìn)方式每月巷道的掘進(jìn)量?jī)H為129.4 m。

4 結(jié)語(yǔ)

工作面巷道掘進(jìn)為煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)之一，其與工作面采煤和礦井建設(shè)共同決定煤礦的生產(chǎn)效率。目前，煤礦生產(chǎn)效率的主要制約因素為巷道掘進(jìn)效率與工作面采煤效率不匹配。為此，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的快速掘進(jìn)尤為重要。針對(duì)431301 巷道為例采用挑頂層位的方式對(duì)巷道進(jìn)行布置，并采用以EBZ-260H 掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)方式對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)。與此同時(shí)，為保證巷道掘進(jìn)的安全性重點(diǎn)對(duì)巷道頂板采用錨桿錨索聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。實(shí)踐表明，431301 巷道的掘進(jìn)效率為普通掘進(jìn)方式的3 倍，達(dá)到了快速掘進(jìn)的目的。