斜溝煤礦巖石巷道懸臂綜掘掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

吳鵬

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建分公司，山西 太原 030000）

1 礦井概況

斜溝煤礦主要開(kāi)采2#煤層，其厚度3.8～5.1 m，平均厚度是4.4 m。2#煤層傾角2°～10°，傾角、傾向變化大。工程巷道為半圓拱形斷面，掘進(jìn)過(guò)程中動(dòng)壓不顯著，圍巖穩(wěn)定，過(guò)斷層、煤層破碎帶時(shí)，頂板的壓力顯著增大。原采用鉆爆法進(jìn)行巷道掘進(jìn)，存在施工工藝復(fù)雜、掘進(jìn)效率低等問(wèn)題。為提高效率，現(xiàn)決定采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線施工，以實(shí)現(xiàn)巷道的高效機(jī)械化快速掘進(jìn)。

2 掘進(jìn)工藝

針對(duì)巷道圍巖性質(zhì)、斷面大小及巷道支護(hù)技術(shù)，選用機(jī)械化一次成巷施工技術(shù)[1]，即懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化配套生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線配置關(guān)鍵設(shè)備有一臺(tái)EBZ230掘進(jìn)機(jī)和BZ-60型耙?guī)r機(jī)、兩臺(tái)混凝土噴漿機(jī)，其中EBZ230掘進(jìn)機(jī)具有可靠性好、破巖能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割、裝載以及運(yùn)輸?shù)妊h(huán)作業(yè)。

1）施工工藝。巷道迎頭采用掘進(jìn)機(jī)EBZ230，后路配套兩部皮帶將出碴輸送至矸石緩沖倉(cāng)，再利用靶斗機(jī)將出碴裝載，最后利用兩部11.4 kW絞車、1臺(tái)5T電瓶車將碴罐輸送至指定的區(qū)域位置。EBZ230掘進(jìn)機(jī)如圖1所示。

圖1 斜溝煤礦用EBZ230掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖

掘進(jìn)工藝流程如圖2所示，當(dāng)工作面截割迎頭斷面成型結(jié)束后，迎頭留存了一定量的矸石，采取敲幫問(wèn)頂并采用臨時(shí)初噴支護(hù)[2]措施；做好臨時(shí)支護(hù)后再進(jìn)行第一次鋪桿支護(hù)。頂板采取頂錨桿支護(hù)，結(jié)束后，將兩幫和迎頭矸石出完，再進(jìn)行兩幫支護(hù)，隨即開(kāi)始下一掘進(jìn)循環(huán)。第一次錨桿支護(hù)僅設(shè)計(jì)用錨桿總數(shù)的1/2，噴漿施工中進(jìn)行第二次錨桿支護(hù)。

圖2 掘進(jìn)工藝流程

2）掘進(jìn)循環(huán)及截割工藝。掘進(jìn)循環(huán)：在掘進(jìn)中，當(dāng)巷道頂板處于完好狀態(tài)，最大空頂距、每掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺分別是2 m、1.8 m；而當(dāng)頂板處于不完好狀態(tài)，還可以選取錨梁網(wǎng)支護(hù)巷道，實(shí)行一掘一錨[3]，最大空頂距、每掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺分別是1 m和0.8 m。掘進(jìn)機(jī)截割頭行走路線如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割循環(huán)作業(yè)方式

切割工藝：①操作流程是：油泵開(kāi)機(jī)→第一運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)→星輪開(kāi)動(dòng)→截割頭開(kāi)動(dòng)。當(dāng)無(wú)需裝載開(kāi)動(dòng)時(shí)，可在油泵電機(jī)開(kāi)動(dòng)后，啟動(dòng)截割電機(jī)。②針對(duì)硬度較硬的煤巖，選用自下而上左右[4]截割方式；而針對(duì)稍軟煤層，選用左右循環(huán)向上截割方式。③首先利用截割頭截割出斷面的初始輪廓，當(dāng)該斷面輪廓未達(dá)到實(shí)際要求的大小形狀時(shí)，采取二次截割整修方式，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

3 巷道支護(hù)

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）錨桿懸吊理論計(jì)算頂錨桿參數(shù)

a、長(zhǎng)度：

式中：L1為外露長(zhǎng)度；L2為巖層厚度；L3為錨入巖層 深 度。L1、L2、L3依 次 取50 mm、2 000 mm、≥250 mm。

計(jì)算：L=50+2 000+250≥2 300 mm，因此，取錨桿長(zhǎng)度2 400 mm。

b、錨固力

依據(jù)屈服載荷計(jì)算

式中：φ為錨桿體直徑，取22 mm；σ曲為曲屈服強(qiáng)度，取≥335 MPa。

c、間排距

間距D≤L/2=1 200 mm，間距應(yīng)小于錨桿長(zhǎng)度的一半。因此，實(shí)際掘進(jìn)中，錨桿間距取600～900 mm。

排距：

式中：n、N為每排錨桿根數(shù)和設(shè)計(jì)錨固力，n=5，N=15 t；K為安全系數(shù)，K=2～3；γ巖層容重，γ=24 kN/m3；a為巷道跨度/2，a=2.3 m。

計(jì)算：L0=5×147/2×3×24×2.3×2=1 110 mm。

因此，錨桿排距取600～900 mm。

（2）依據(jù)自然平衡拱原理

a、兩幫受擠壓破壞深度C值

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，K=2；H為埋深，H=600 m；B固定支撐力影響次數(shù)，B=1；fc、kc為巖石堅(jiān)固性和完整性系數(shù)，fc=2；α為傾角，α=10°；h為掘進(jìn)高度，h=3.7 m；φ為巖體內(nèi)摩擦角，φ=63°26′。

b、潛在冒落拱高度b

式中：a為頂板有效跨度/2，a=2.3 m；ky、fr為直接頂煤巖類型性和堅(jiān)固性系數(shù)，ky=0.6，fr=4。

c、兩幫側(cè)壓值Qs

式中：ku為采動(dòng)影響系數(shù)，ku=4；r1為巖體容重，r1=2.4 t/m3。

計(jì)算Qs=4×0.379×2.4×[3.7×sin(10°)

d、頂板錨桿參數(shù)

①錨固段長(zhǎng)度：

式中：N為設(shè)計(jì)錨固力，N=127 kN；d為錨桿孔直徑，d=3.3 cm；p為巖石和樹(shù)脂藥黏結(jié)力，p=40 kg/cm2。

依據(jù)計(jì)算，頂錨桿確定選取螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?22 mm×2 400 mm，由于斜溝煤礦頂板容易破碎，所以進(jìn)行全長(zhǎng)錨固支護(hù)。

②間距：D≤L/2=1 200 mm，其間距可取600～900 mm。

式中：b=1.099 m。

計(jì)算：L0=5×127/2×3×24×2.3×1.099=1.745 m。所以，其排距可取600～900 mm。

（5）兩幫錨桿參數(shù)

①錨固段長(zhǎng)度

式中：N為設(shè)計(jì)錨固力，N=5 t；d為幫錨桿孔直徑，d=29 mm；P為巖石和樹(shù)脂藥劑黏結(jié)力，P=40 kg/cm2。

計(jì)算：L3=5000×10/（π×2.9×40）=137 mm.

②幫錨桿長(zhǎng)度

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，幫錨桿選取A3鋼錨桿，規(guī)格為?16 mm×1 800 mm，并采用端頭錨固方式。

③幫錨桿間距：

式中：N為設(shè)計(jì)錨固力，N=5 t；L0為幫錨桿排距，L0=1.745 m；K為安全系統(tǒng)，K=2～3；Qs兩幫側(cè)壓值。

建筑信息模型是一切BIM工作的源泉，數(shù)據(jù)和信息是一切施工管理工作的基礎(chǔ)，有“模型”才有數(shù)據(jù)和信息（見(jiàn)圖2～圖7）。

計(jì)算：D=5×3.7/1.745×3×3.278=1.075 m，在實(shí)際掘進(jìn)中，間距選取600～900 mm。

（3）錨索支護(hù)參數(shù)

a、錨索長(zhǎng)度

依據(jù)前述結(jié)果，每排錨索設(shè)計(jì)數(shù)量為2根，冒落高度1 099 mm，錨索承擔(dān)了冒落拱內(nèi)巖石的全部重量。采用樹(shù)脂藥卷錨固，正常時(shí)錨固段長(zhǎng)度4 m，對(duì)于斜溝礦頂板巖石，其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5 m。

錨索長(zhǎng)度：

式中：L1、L3為錨索錨固段和外露長(zhǎng)度；L2為自然冒落拱高度，L1=5 m；L2=1.099 m；L3=0.35 m。計(jì)算：L=5+1.099+0.35=6.449 m。因此，錨索長(zhǎng)度8 350 mm，孔深8.0 m。

b、錨索間排距

排距：

式中：n每排錨索根數(shù)，n=2；N錨固力設(shè)計(jì)大小，N=26.6 t；γ頂板巖石容重，γ=2.4 t/m3；a頂板有效跨度，a=4.6 m；b自然平衡拱高度，b=1.099 m。計(jì)算：D=2×26.6/2.4×4.6×1.099=4.385 m。斜溝礦巷道寬4.6 m，錨索孔設(shè)計(jì)至巷幫1.3 m，每排錨索間距S=2 m。

依據(jù)規(guī)范L/S≥2，樹(shù)脂錨固長(zhǎng)度L≥1.5 m。因此，錨索間排距符合要求。

3.2 支護(hù)方案及工藝

巷道支護(hù)工藝為“初噴→打錨桿→打錨桿掛網(wǎng)→復(fù)噴成形”，具體施工流程為：初噴（50 mm）→首次錨桿支護(hù)（錨桿間排距900 mm×900 mm）→第二次錨桿支護(hù)并掛網(wǎng)（錨桿間排距900 mm×900 mm，滯后迎頭40 m施工）→復(fù)噴（噴射厚度100 mm），即首先對(duì)該巷道實(shí)行初噴作業(yè)，用以對(duì)該巷道圍巖進(jìn)行封閉；緊接著，再對(duì)巷道進(jìn)行首次錨桿支護(hù)，此時(shí)施工用錨桿數(shù)量?jī)H是其中的1/2，采取間隔施工，錨索以及剩余的錨桿在第二次錨桿支護(hù)中進(jìn)行施工，其中，首次和第二次錨桿支護(hù)施工間隔距離是40 m。錨桿布置如圖4所示。

圖4 前后兩次錨桿布置

巷道支護(hù)具體支護(hù)參數(shù)如下：

當(dāng)巷道頂板完整、節(jié)理不發(fā)育時(shí)，對(duì)頂板支護(hù)：選取螺紋鋼錨桿，其規(guī)格是?22 mm×2 400 mm，巷頂每排安設(shè)錨桿5根，間排距是900 mm×900 mm；并鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，其規(guī)格為1 200 mm×3 500 mm、網(wǎng)孔大小50 mm×50 mm，相近金屬網(wǎng)要求超出100 mm的搭接長(zhǎng)度，且每相間300 mm使用雙股18#鐵絲扎牢擰緊；并搭配“H”型鋼帶梁護(hù)頂，其規(guī)格為4 200 mm×70 mm。此外，頂錨桿每孔各配一支Z2360、S2360樹(shù)脂藥卷。對(duì)巷道左右兩幫支護(hù)，選取A3鋼金屬錨桿，其規(guī)格為?16 mm×1 800 mm，巷幫每幫安設(shè)錨桿4根，間排距是900 mm×900 mm，同樣鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)并配套鐵托盤，幫錨桿每孔配一支S2859樹(shù)脂藥卷。此外，頂錨桿和幫錨桿要求超出30～50 mm的外露長(zhǎng)度，且其錨固力分別不小于15 t和5 t。錨索支護(hù)的錨索長(zhǎng)度為8.35 m，間排距是2×2～4.5 m，每孔分別配三支Z2360和一支S2360樹(shù)脂藥卷，并達(dá)到130 kN的錨固力。

當(dāng)巷道頂板巖性變化，比如頂板出現(xiàn)破損、層理顯著，進(jìn)行錨桿眼打孔時(shí)出現(xiàn)煤巖內(nèi)有構(gòu)造帶、過(guò)斷層或者頂板煤層松動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，要對(duì)巷道及時(shí)采取支護(hù)措施，要求人員在掘進(jìn)時(shí)，必須是掘進(jìn)一排支護(hù)一排，將原錨桿和錨索間排距分別調(diào)小至700 mm×700 mm和2 m×1.4 m。

此外，對(duì)于特殊地段，當(dāng)無(wú)法選用錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)時(shí)，可以使用U型鋼支架，掛網(wǎng)噴漿聯(lián)合支護(hù)方式，其中，噴厚≥150 mm，箍間距800 mm。

噴漿要求：噴漿用材料選取525普通硅酸鹽水泥，清潔干凈的河沙作為沙子，石子的直徑不得小于10 mm，混凝土中水泥、石子、沙子的搭配比例是1∶2∶2，噴射砼強(qiáng)度不小于C15，噴射厚度100 mm。

4 出矸系統(tǒng)

迎頭出矸：迎頭處，配合使用ZEBZ-230掘進(jìn)機(jī)自身皮帶和DSB40-4皮帶，增大出矸速度。DSB40-4皮帶機(jī)保持搭接在選筆記自身皮帶的下方，因此，裝載在掘進(jìn)機(jī)溜子上的矸石，被轉(zhuǎn)運(yùn)至自身皮帶上，并被轉(zhuǎn)運(yùn)到臨時(shí)緩沖矸石倉(cāng)，避免矸石的堆積，影響掘進(jìn)進(jìn)尺。

后路運(yùn)輸出矸：為有效解決掘進(jìn)進(jìn)尺出碴量大的現(xiàn)象，在后路建矸石緩沖倉(cāng)，并依據(jù)輔助軌道巷毛斷面規(guī)格，每班進(jìn)尺按2 m計(jì)算，設(shè)計(jì)矸石倉(cāng)容量≥掘進(jìn)兩班出矸量，即容量約是100 m3，且每班斜巷絞車的提升能力是90 m3，很好地將后路矸石運(yùn)輸緊張的問(wèn)題進(jìn)行解決。

5 應(yīng)用效果

1）月進(jìn)尺

對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和鉆爆法[5]施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比：該巷采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)破巖并將出碴裝載，后路再配合皮帶機(jī)進(jìn)行出碴的運(yùn)送，并在皮帶機(jī)頭處將出碴輸送至矸石緩沖倉(cāng)，最后通過(guò)靶斗機(jī)裝罐進(jìn)行外運(yùn)[6]；而采用鉆爆法，鉆車打眼、聯(lián)線放炮及躲炮吹炮煙、幫錨桿安裝共需要195 min。鉆爆結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，最后通過(guò)靶斗機(jī)和側(cè)裝機(jī)裝罐出碴。兩種方法的月掘進(jìn)量對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種掘進(jìn)法月掘進(jìn)量比較

從表1中可知，采用掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化作業(yè)線，在巷道煤巖性質(zhì)一樣且掘進(jìn)進(jìn)尺兩排時(shí)，相比于鉆爆法施工，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)可提前60 min完成作業(yè)面的循環(huán)作業(yè)量，提高了掘進(jìn)速率，實(shí)現(xiàn)了巷道的快速掘進(jìn)。

2）經(jīng)濟(jì)效益

采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線施工，顯著提高了工效，使生產(chǎn)成本降低。對(duì)比分析掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和鉆爆法的經(jīng)濟(jì)效益，從人工費(fèi)、材料消耗兩方面分析，如表2所示。

表2 材料消耗對(duì)比（單價(jià)/元）

掘進(jìn)機(jī)施工，平均單進(jìn)200 m/月，人工操作效率0.31 m/工，掘進(jìn)人員共72人；鉆爆法施工，平均單進(jìn)90 m/月，人工操作效率0.13 m/工，人員共52人。因此，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道用工3.33個(gè)/米，而鉆爆法用工7.69個(gè)/米，假設(shè)每工單價(jià)60元，則掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)相比于鉆爆法，每米巷道節(jié)省人工費(fèi)268.2元。

據(jù)表2中，對(duì)于材料消耗，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比鉆爆法節(jié)省12.86元/m；對(duì)于人工費(fèi)用，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)節(jié)省268.2元/m。因此，每米巷道，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比鉆爆法可節(jié)省281.06元。

6 結(jié)論

巷道原采用鉆爆法掘進(jìn)，存在施工工藝復(fù)雜、掘進(jìn)效率低等問(wèn)題，現(xiàn)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線施工，實(shí)現(xiàn)了巷道的高效機(jī)械化快速掘進(jìn)。

1）巷道應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)，一條作業(yè)線配置有掘進(jìn)機(jī)、靶巖機(jī)及噴漿機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤巖截割、出碴、掘進(jìn)的連續(xù)性和掘進(jìn)和支護(hù)的平行作業(yè)，提高了巷道的掘進(jìn)速率。

2）對(duì)比應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和鉆爆法施工的月掘進(jìn)量，當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)尺兩排時(shí)，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)可提前60 min完成作業(yè)面的循環(huán)作業(yè)量。

3）對(duì)比應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)和鉆爆法施工的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于材料消耗，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比鉆爆法節(jié)省12.86元/m；對(duì)于人工費(fèi)用，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)可節(jié)省268.2元/m。因此，每米巷道，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比鉆爆法可節(jié)省281.06元。