硬巖巷開拓掘進(jìn)支護(hù)優(yōu)化及機(jī)械配套研究

任澤哲

（晉能控股集團(tuán)四老溝礦機(jī)掘三隊(duì)，山西 大同 037000）

引言

在實(shí)際生產(chǎn)中，若想大幅度提升綜采工作面的生產(chǎn)效率，必須保證工作面各個(gè)環(huán)節(jié)的匹配度達(dá)到最高。就目前而言，綜采工作面的主要矛盾為巷道掘進(jìn)效率與巷道采煤效率相差較大；而且，對于硬巖巷道而言，由于巖層條件復(fù)雜常通過炮掘工藝進(jìn)行掘進(jìn)，每月僅可掘進(jìn)100 mm 的長度，嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)效率[1]。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)硬巖巷道快速掘進(jìn)的關(guān)鍵因素之一為保證巷道的有效支護(hù)，并為其配套高效的掘進(jìn)設(shè)備。本文針對硬巖巷道，對其支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并完成高效掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備的配套。

1 良莊煤礦水平大巷道工程概況

本文以良莊煤礦為研究對象，以其水平大巷道的掘進(jìn)為例開展研究。該水平巷道的高度為3.6 m、寬度為4.6 m，巷道斷面面積為16.56 m2。水平大巷道內(nèi)的巖層硬度范圍為8～11，且?guī)r層的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。水平大巷道的頂?shù)装宓刭|(zhì)條件見表1。

表1 水平大巷道頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

經(jīng)探測可知，水平大巷道的最大涌水量可達(dá)95m3/h，一般情況下的平均/正常涌水量為5.3 m3/h。由工作面煤層涌出瓦斯的相對值為1.98 m3/t。

總的來講，首先，水平大巷道的地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜且頂板以砂質(zhì)泥巖為主，導(dǎo)致頂板施工的難度增加，進(jìn)而影響巷道的掘進(jìn)速度；其次，工作面受到采空區(qū)積水的影響，且采空區(qū)積水也是制約煤礦快速掘進(jìn)的主要因素[2]；最后，工作面煤層瓦斯的涌出量較大，也對工作面的快速掘進(jìn)工藝提出較大的挑戰(zhàn)。

2 掘進(jìn)支護(hù)方案的優(yōu)化

對于硬巖層巷道而言，由于其巖層較硬且地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，對硬巖巷道的高效支護(hù)可保證后期的掘進(jìn)效率，起到事半功倍的效果。因此，本小節(jié)重點(diǎn)對水平大巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目前水平大巷道采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 水平大巷道錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)

由表2 所示，頂部和兩幫所選的錨桿為等強(qiáng)錨桿，布置的排距為700 mm、間距為700 mm；頂部錨索采用左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線形式，布置間距為1 500 mm、排距為1 600 mm。在實(shí)際實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)階段的支護(hù)方案相對煩瑣，導(dǎo)致在一個(gè)正規(guī)循環(huán)的掘進(jìn)任務(wù)中有70%的時(shí)間均耗費(fèi)在支護(hù)上，直接減少了實(shí)際掘進(jìn)時(shí)間，進(jìn)而影響了巷道的掘進(jìn)速度和掘進(jìn)與采煤工序的交替[3]。

為解決上述問題，擬通過減小錨桿和錨索的布置密度來進(jìn)行優(yōu)化，具體方案如下：

1）頂板選用直徑為20 mm、長度為1 800 mm 的讓壓錨桿，錨桿的排距和間距均為900 mm。

2）兩幫選用直徑為20 mm、長度為2 000 mm 的讓壓錨桿，且兩幫錨桿排距為700mm、間距為900mm；同時(shí)，將幫錨桿按傾角45°在兩幫安裝。

3）頂部錨索采用直徑為16 mm、長度為6 500 mm的左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作的錨索，且頂部錨索的間距為1 600 mm、排距為1 800 mm。

將上述優(yōu)化前后方案的支護(hù)效果進(jìn)行對比，重點(diǎn)考慮不同支護(hù)方案下頂板和兩幫的位移量?；贔LAC3D 軟件對不同支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行對比，詳見表3。

表3 不同支護(hù)方案的支護(hù)效果對比

對比優(yōu)化前后支護(hù)方案對應(yīng)的頂板下沉量和兩幫移近量可知，兩種方案對控制圍巖的效果相似。因此，可采用優(yōu)化后的方案對硬巖巷道進(jìn)行支護(hù)。同時(shí)，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，在保證硬巖巷道圍巖穩(wěn)定性的同時(shí)，由于錨桿和錨索的布置間距增大，在同樣支護(hù)面積下極大地縮短了錨桿和錨索的安裝時(shí)間，從而直接增加了掘進(jìn)的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

此外，除了上述錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)的方案外，還延續(xù)原硬巖巷道所采用的W 鋼帶+金屬網(wǎng)的強(qiáng)化支護(hù)方案。所采用W 鋼帶的寬度為280mm、厚度為4mm，鋼帶間排距900mm、900mm；金屬網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)柱高度、間距為2.3 m、3m。

3 硬巖巷道開拓掘進(jìn)機(jī)械配套

3.1 鑿巖鉆頭的選型

在實(shí)際支護(hù)實(shí)施過程中需要進(jìn)行鉆孔操作。因此，實(shí)際的鉆孔速度直接影響支護(hù)的速度，進(jìn)而影響巷道的掘進(jìn)效率。因此，為實(shí)際支護(hù)實(shí)施配置合適的鉆頭尤為重要。目前，可選用的鉆頭包括十字鉆頭和球齒鉆頭兩種。實(shí)踐表明，采用十字鉆頭施工時(shí)，僅鉆孔的時(shí)間就占據(jù)掘進(jìn)工作時(shí)間的40%，平均鉆孔速度為0.15 m/min；而且采用十字鉆頭磨損嚴(yán)重，一般一個(gè)鉆頭僅能夠完成3 個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)任務(wù)。但是，采用球齒鉆頭對應(yīng)的鉆孔速度為0.25 m/min，而且完成4 個(gè)鉆孔任務(wù)后鉆頭仍然完好。因此，本工程選用球齒鉆頭進(jìn)行鉆孔操作。

3.2 掘進(jìn)設(shè)備的選型

結(jié)合水平大巷道的掘進(jìn)任務(wù)及地質(zhì)條件，為其配置的掘進(jìn)設(shè)備及其配套設(shè)備的選型結(jié)果見表4。

表4 掘進(jìn)設(shè)備的選型配套

實(shí)踐表明：對巷道進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)后且采用液壓鉆機(jī)和錨桿鉆機(jī)進(jìn)行錨眼的鉆進(jìn)后，加快了巷道的支護(hù)速度，同時(shí)參與掘進(jìn)支護(hù)的工作人員數(shù)量也減少了。同時(shí)，本方案選用球齒鉆頭對錨桿進(jìn)行鉆進(jìn)，提升了鉆孔速度，極大地縮短了鉆孔時(shí)間，為巷道快速掘進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）由于良莊煤礦水平大巷道原支護(hù)方案的錨桿和錨索布置密度過大，導(dǎo)致支護(hù)效率低。因此，將錨桿與錨索的間距與排距增加，實(shí)現(xiàn)在保證對巷道圍巖穩(wěn)定性控制不變的基礎(chǔ)上，提高巷道支護(hù)效率。

2）為巷道掘進(jìn)配置球齒鉆頭對錨眼進(jìn)行鉆孔，大大提升了鉆孔速度；同時(shí)，配置的液壓鉆機(jī)和鑿巖機(jī)也極大地提升了巷道的支護(hù)效率，為保證巷道的掘進(jìn)效率奠定基礎(chǔ)。