掘錨一體機(jī)切眼大斷面一次成巷掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

劉愛(ài)云

(鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，鄂爾多斯 017000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械化水平的提高，綜掘機(jī)等設(shè)備在礦井得到了廣泛應(yīng)用。雖然綜掘掘進(jìn)速率快，但其僅具有單一的掘進(jìn)功能，支護(hù)占成巷時(shí)間的比重大，造成巷道總掘進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，這成為制約快速成巷的瓶頸[1-5]。因此，如何提高巷道的支護(hù)效率是當(dāng)前快速成巷面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[6-7]。掘錨一體機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)同步施工，解決成巷過(guò)程中掘錨分離的問(wèn)題，減少支護(hù)所占用的時(shí)間，滿(mǎn)足巷道快速掘進(jìn)的要求[8-9]。掘錨一體機(jī)在內(nèi)蒙、陜西等一些煤層條件較為簡(jiǎn)單的礦井已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，大大提高了巷道掘進(jìn)速率，緩解了采掘接替緊張的局面[10-11]。但掘錨一體機(jī)受地質(zhì)條件影響較大，在巷道處于高應(yīng)力、軟巖等復(fù)雜條件時(shí)，圍巖易發(fā)生冒頂、片幫等問(wèn)題，限制了掘錨一體機(jī)的使用[12-13]。本文針對(duì)母杜柴登煤礦巷道掘進(jìn)速率較慢的現(xiàn)狀，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)掘錨一體機(jī)快速成巷工藝進(jìn)行研究，大大提高了巷道的掘進(jìn)速率，為類(lèi)似條件下巷道的快速掘進(jìn)提高了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

母杜柴登煤礦30207工作面位于井田南翼中部，302盤(pán)區(qū)東側(cè)，主采煤層為3-1煤煤，設(shè)計(jì)采高4.8 m，生產(chǎn)能力4.2 Mt/a。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 500 m，寬度326 m，走向南北，向302盤(pán)區(qū)西部接續(xù)。煤層厚度為3.8～6 m，總體南部厚，北部?。好簩勇裆顬?30.8-～654.61 m，南淺北深；煤層底板標(biāo)高在+631.1～+646.132 m之間，南高北低；整體為單斜構(gòu)造，工作面煤層傾角1～2°，煤層傾向?yàn)楸蔽飨颍ぷ髅婊夭蓪⒁孕〗嵌雀┎蔀橹?。煤層地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，頂板主要為粉砂巖及細(xì)粒砂，底板主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。礦井鉆孔勘探顯示，以頂板砂巖含水層充水為主，20 m以下含水層富水性較弱，但水壓較大。通過(guò)疏放水鉆孔將工作面頂板冒落裂縫帶發(fā)育范圍內(nèi)的含水層水疏放至不承壓狀態(tài)，減少采后涌水量，尤其是減少初次頂板垮落及周期性頂板垮落過(guò)程中的涌水量，使工作面頂板水能夠平穩(wěn)泄出，保證了采掘安全。30207運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面19.44 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，原支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 30207運(yùn)輸巷原支護(hù)參數(shù)

2 掘進(jìn)施工工藝優(yōu)化

2.1 原施工工藝

30207運(yùn)輸巷原采用EBZ230型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 EBZ230型掘進(jìn)機(jī)參數(shù)

巷道原掘進(jìn)工藝受掘進(jìn)與支護(hù)分離影響，成巷速率慢，月進(jìn)尺約240 m，造成礦井采掘交替緊張。為提高巷道掘進(jìn)速率，該礦提出采用掘錨一體機(jī)提高成巷速率，縮短掘進(jìn)與支護(hù)的時(shí)間，保證巷道的掘進(jìn)進(jìn)尺滿(mǎn)足回采需求。

2.2 掘錨一體施工工藝

目前影響巷道快速掘進(jìn)的主要因素是支護(hù)所占用的時(shí)間，占成巷總時(shí)間的75%左右。為提高成巷速率，30207運(yùn)輸巷采用MB670型掘錨一體機(jī)施工，將掘進(jìn)與支護(hù)等工序同步作業(yè)，減少支護(hù)所需的時(shí)間，提高成巷速率，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 MB670型掘錨一體機(jī)參數(shù)

根據(jù)巷道圍巖特性、掘錨一體機(jī)工藝特征，需要巷道支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少支護(hù)所占用時(shí)間，提高成巷速率。

根據(jù)頂板巖層性質(zhì)確定循環(huán)進(jìn)尺，保證巷道掘進(jìn)的安全性。如果頂板完整性、穩(wěn)定較好時(shí)，最大控頂距不超過(guò)3 m，掘錨一體機(jī)施工時(shí)控頂距為2 m，并采用液壓支架前探梁進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)；如果頂板完整性、穩(wěn)定性較差時(shí)，需在頂板施工錨桿、錨索進(jìn)行超前支護(hù)，并實(shí)行短掘短支。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，巷道兩幫支護(hù)可以適當(dāng)滯后補(bǔ)打，縮短支護(hù)所占用的時(shí)間。單循環(huán)打6根頂錨桿、2根頂錨索，施工錨索同時(shí)，在兩幫上部滯后補(bǔ)打1根錨桿、下部打3根錨桿，滯后范圍為迎頭向外15 m段。

3 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

采用FLAC3D數(shù)值模擬錨桿、錨索不同參數(shù)時(shí)應(yīng)力分布情況，確定巷道最合理支護(hù)參數(shù)。建立100 m×40 m×30 m力學(xué)模型，垂直方向施加8 MPa荷載，材料參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 30207運(yùn)輸巷材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)錨桿預(yù)緊力

在30207運(yùn)輸巷頂板、幫部分別布置6根和4根Φ22×2 000 mm的錨桿，設(shè)計(jì)預(yù)緊力分別為20、40、60和80 kN時(shí)應(yīng)力分布情況，如圖1所示。

由圖1可知，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，錨固范圍逐漸增大。當(dāng)預(yù)緊力為20 kN時(shí)，頂板和兩幫預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍小，僅在錨固段附近和錨桿尾部0.5 m內(nèi)擴(kuò)散良好，圍巖最大壓應(yīng)力值低。當(dāng)預(yù)緊力為40 kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍仍較小，圍巖最大壓應(yīng)力僅為0.07 MPa。當(dāng)預(yù)緊力為60 kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散至錨桿整個(gè)錨固范圍，圍巖最大壓應(yīng)力為0.14 MPa。當(dāng)預(yù)緊力為80 kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍較好，圍巖最大壓應(yīng)力為0.17 MPa。為了提高支護(hù)強(qiáng)度，盡量增大錨桿支護(hù)預(yù)緊力，同時(shí)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件及成本等因素，建議30207運(yùn)輸巷錨桿預(yù)緊力為60 kN。

圖1 不同預(yù)緊力圍巖應(yīng)力分布情況

(2)錨桿數(shù)量

在30207運(yùn)輸巷頂板分別施工4根、6根、8根Φ22×2 000 mm的錨桿，預(yù)緊力為60 kN，應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 不同錨桿數(shù)量圍巖應(yīng)力分布情況

由圖2可知，隨著錨桿數(shù)量的增加，錨桿形成的壓應(yīng)力逐漸疊加。雖然錨桿數(shù)量為4根、6根、8根時(shí)最大壓應(yīng)力值均為0.14 MPa，但錨桿間距不同，應(yīng)力相互疊加效果不同。當(dāng)錨桿數(shù)量4根時(shí)，應(yīng)力相互疊加效果較差；當(dāng)錨桿數(shù)量增加至6根后，應(yīng)力相互疊加效果明顯，能形成較好的壓力拱；當(dāng)錨桿數(shù)量增加至8根后，應(yīng)力相互疊加效果基本與6根相同。結(jié)合礦井施工條件及成本等因素，建議30207運(yùn)輸巷錨桿數(shù)量為6根。

(3)錨桿長(zhǎng)度

在30207運(yùn)輸巷分別布置直徑22 mm，長(zhǎng)度分別為1 600、2 000和2 400 mm時(shí)應(yīng)力分布情況，預(yù)緊力為60 kN，應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度圍巖應(yīng)力分布情況

由圖3可知，錨桿長(zhǎng)度對(duì)圍巖預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散情況影響較小，僅僅沿著錨桿軸線(xiàn)方向有一定影響。對(duì)于錨桿長(zhǎng)度的確定，應(yīng)當(dāng)在能保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，適當(dāng)縮短錨桿長(zhǎng)度。由于30207運(yùn)輸巷圍巖完整性、穩(wěn)定性相對(duì)較好，建議30207運(yùn)輸巷錨桿長(zhǎng)度2 000 mm。

(4)錨索長(zhǎng)度

在30207運(yùn)輸巷分別布置直徑17.8 mm，長(zhǎng)度分別為4 300、6 300和8 300 mm時(shí)應(yīng)力分布情況，張拉力為150 kN，錨桿規(guī)格為Φ22×2 000 mm，預(yù)緊力60 kN，應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 不同錨索長(zhǎng)度圍巖應(yīng)力分布情況

由圖4可知，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，減弱圍巖預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果，與錨桿應(yīng)力疊加效果相對(duì)較差。對(duì)于錨索長(zhǎng)度的確定，應(yīng)當(dāng)在能保證圍巖穩(wěn)定性的前提下，適當(dāng)縮短錨索長(zhǎng)度。由于煤層厚度較大，巷道頂板煤層及砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度較低，建議30207運(yùn)輸巷錨索長(zhǎng)度6 300 mm。

(5)排距

在30207運(yùn)輸巷分別設(shè)置錨桿排距為1 000 mm，錨桿規(guī)格為Φ22×2 000 mm，預(yù)緊力為60 kN，錨索規(guī)格為Φ17.8×6 300 mm，應(yīng)力分布情況如圖5所示。

圖5 錨桿排距1 000 mm時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況

由圖5可知，隨著錨桿、錨索排距縮小，相鄰錨桿、錨索間壓應(yīng)力疊加效果好，但當(dāng)排距減小至一定程度后，對(duì)有效壓應(yīng)力擴(kuò)大、錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散變得不在明顯。當(dāng)錨桿排距1 000 mm時(shí)，圍巖應(yīng)力場(chǎng)形成的最大應(yīng)力值為0.14 MPa，相鄰錨桿、錨索間應(yīng)力疊加效果能夠滿(mǎn)足巷道支護(hù)需求，建議30207運(yùn)輸巷錨桿排距1 000 mm。

4 支護(hù)參數(shù)確定

4.1 支護(hù)參數(shù)

采用FLAC3D模擬30207運(yùn)輸巷錨桿、錨索不同參數(shù)時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況，結(jié)合施工條件及成本等因素，對(duì)原巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，具體參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 30207運(yùn)輸巷優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)

錨桿預(yù)緊力不低于60 kN，錨桿、錨索錨固力均不低于15 t，支護(hù)示意圖如圖6所示。

圖6 30207運(yùn)輸巷支護(hù)示意圖

4.2 優(yōu)化后的支護(hù)模擬效果分析

對(duì)30207運(yùn)輸巷錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，采用FLAC3D模擬巷道圍巖應(yīng)力及位移分布情況，驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)能否保證圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)力分布情況模擬結(jié)果如圖7所示，位移分布情況模擬結(jié)果如圖8所示。

圖7 30207運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力分布圖

圖8 30207運(yùn)輸巷圍巖位移分布圖

由圖8可知，對(duì)30207運(yùn)輸巷錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道圍巖應(yīng)力和位移情況發(fā)生了明顯改善。垂直應(yīng)力集中在巷道幫部，水平應(yīng)力集中在頂?shù)装?，最大垂直?yīng)力和水平應(yīng)力分別為10.92、11.25 MPa，最大頂板下沉量、底鼓量及兩幫移近量分別為13、20和24 mm。根據(jù)模擬結(jié)果可知，巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，巷道圍巖變形量較小，在安全范圍內(nèi)。因此，優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠滿(mǎn)足巷道圍巖完整性、穩(wěn)定性的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)效果檢驗(yàn)

對(duì)30207運(yùn)輸巷錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化施工后，通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，在監(jiān)測(cè)的120 d內(nèi)巷道圍巖變形情況如圖9所示。

圖9 30207運(yùn)輸巷圍巖變形情況圖

由圖9可知，在監(jiān)測(cè)的120 d內(nèi)，巷道圍巖變形量先增加后逐漸穩(wěn)定，變形量主要集中在前7 d內(nèi)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，最大頂板下沉量為45 mm，最大變形速率為15 mm/d；最大兩幫移近量為47 mm，最大變形速率為13 mm/d。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后有效提高了圍巖強(qiáng)度，減小了圍巖變形量，支護(hù)效果較好，能夠保證圍巖穩(wěn)定性。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)該礦采用掘錨一體機(jī)后，施工時(shí)間大大縮短，平均單循環(huán)時(shí)間由90～106 min縮短至55～63 min，每天增加6個(gè)循環(huán)，日循環(huán)進(jìn)尺由8 m提高至13 m，單月進(jìn)尺由240 m提高至400 m。同時(shí)，減少施工人員，原13人可完成的任務(wù)縮短至8人。

(2)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，與原支護(hù)相比減少材料的銷(xiāo)號(hào)，支護(hù)材料成本由3 299.4元/m減少至2 666元/m，降幅19.2%。

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)30207運(yùn)輸巷掘進(jìn)速率較慢的現(xiàn)狀，該礦采用MB670型掘錨一體機(jī)施工，將掘進(jìn)與支護(hù)等工序同步作業(yè)，減少支護(hù)所需的時(shí)間，提高成巷速率。

(2)巷道掘進(jìn)后，原支護(hù)參數(shù)不足以滿(mǎn)足掘錨一體機(jī)施工要求，采用FLAC3D模擬不同錨桿預(yù)緊力、數(shù)量、長(zhǎng)度、排距及錨索長(zhǎng)度時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況，確定最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，建議巷道采用預(yù)緊力60 kN、數(shù)量6根、長(zhǎng)度2 000 mm、排距1 000 mm的錨桿及長(zhǎng)度為6 300 mm錨索對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，通過(guò)模擬巷道圍巖應(yīng)力分布及位移變化情況，得到最大垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別為10.92、11.25 MPa，最大頂板下沉量、底鼓量及兩幫移近量分別為13、20、24 mm，巷道圍巖變形量較小，能夠滿(mǎn)足巷道圍巖完整性、穩(wěn)定性的要求。

(3)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工后，通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果。在監(jiān)測(cè)的120 d內(nèi)，最大頂板下沉量為45 mm，最大變形速率為15 mm/d；最大兩幫移近量為47 mm，最大變形速率為13 mm/d。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后有效提高了圍巖強(qiáng)度，減小了圍巖變形量，支護(hù)效果較好。

(4)采用掘錨一體機(jī)不僅提高了巷道的掘進(jìn)速率，單月進(jìn)尺由240 m提高至400 m，還節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，支護(hù)材料由3 299.4元/m減少至2 666元/m，降幅19.2%。