硬巖巷開拓掘進(jìn)支護(hù)優(yōu)化及機(jī)械配套研究

張 斌

（山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

煤礦生產(chǎn)能力與巷道掘進(jìn)速度、巷道的成型質(zhì)量、采煤工藝及所配套綜采設(shè)備效率相關(guān)。目前，煤礦生產(chǎn)中巷道的掘進(jìn)效率與采煤效率不匹配是導(dǎo)致巷道生產(chǎn)能力得不到質(zhì)的提升的主要因素。受掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備的配套不合理、掘進(jìn)工藝的設(shè)計(jì)不合理以及支護(hù)效果較差等因素，巷道掘進(jìn)效率和最終成型質(zhì)量并不能夠?qū)笃诿旱V生產(chǎn)能力的提升起到促進(jìn)作用[1]。本文將結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)巷道掘進(jìn)工作面的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，并為其配置合理、高效的快速掘進(jìn)設(shè)備以保證巷道的快速掘進(jìn)和最終巷道的成型質(zhì)量。

1 3 號(hào)煤層工作面概況

本文以3 號(hào)煤層所屬工作面巷道的掘進(jìn)為例開展研究。經(jīng)探測(cè)，該工作面的平均傾角為5°，所蘊(yùn)藏煤層的平均厚度為7.63 m，整個(gè)工作面的含煤比例為6.68%。本工作面巖層的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 3 號(hào)煤層所屬工作面關(guān)鍵參數(shù)

3 號(hào)煤層所屬工作面的含水層主要為含裂隙含水層和石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。經(jīng)預(yù)測(cè)可知，該工作面的最大涌水量為0.5 m3/h。結(jié)合工作面的實(shí)際情況，該煤礦采用立井開拓的方式進(jìn)行開采，并設(shè)置有主井、副井和回井三個(gè)立井[2]。目前，該工作面巷道主要采用爆破掘進(jìn)方式進(jìn)行掘進(jìn)，并采用手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行打眼。從整體上講，目前該工作面巷道掘進(jìn)主要表現(xiàn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、安全系數(shù)低等問題。而且，隨著巷道的不斷延伸直接影響整個(gè)工作面排渣、倒矸的能力。

3 號(hào)工作面掘進(jìn)目前采用錨桿支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。其中，頂板錨桿采用直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 200 mm 的高強(qiáng)應(yīng)力扭矩錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間距為800 mm、排距為700 mm；兩幫采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2 000 mm 的右旋全螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，幫錨桿的間距和排距均為700 mm。對(duì)于當(dāng)前的支護(hù)參數(shù)而言，由于錨桿支護(hù)密度較大且頂部和兩幫錨桿的規(guī)格型號(hào)不一致導(dǎo)致支護(hù)實(shí)施的效率較低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，其成為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的主要制約因素。

綜上，為實(shí)現(xiàn)該工作面的快速掘進(jìn)任務(wù)，本文將通過對(duì)其支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，并為其配套高效的機(jī)械設(shè)備以保證巷道的快速、安全掘進(jìn)，并保證最終巷道成型質(zhì)量滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

2 硬巖巷快速掘進(jìn)支護(hù)優(yōu)化

硬巖巷道在掘進(jìn)過程中，受到開挖的影響，由于其圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，巷道圍巖為達(dá)到一個(gè)新的平衡，頂板和兩幫巷道會(huì)出現(xiàn)一定的變形。當(dāng)變形處于不可控制范圍內(nèi)時(shí)，極易導(dǎo)致事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)任務(wù)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)巷道的合理化布置也可保證支護(hù)實(shí)施效率，為間接提高巷道掘進(jìn)效率奠定基礎(chǔ)。因此，本節(jié)將本著巷道圍巖變形控制在合理范圍并保證快速掘進(jìn)任務(wù)兩方面對(duì)支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 支護(hù)方案的提出

經(jīng)分析，3 號(hào)煤層所屬工作面頂?shù)装鍑鷰r條件比較穩(wěn)定且對(duì)應(yīng)的巖層平均硬度為5。因此，本節(jié)將采用懸吊理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理化計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算可得：適用于3 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，錨桿直徑為22 mm，錨桿預(yù)緊力為60 kN；錨索直徑為17.89 mm，長(zhǎng)度為6 000 mm。

為解決原支護(hù)方式下作業(yè)強(qiáng)度較大且效率低的問題，本文將采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，并重點(diǎn)對(duì)錨桿間距和排間距進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)應(yīng)的三種支護(hù)方案如下：

方案一：頂錨桿間距為1 100 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 000 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

方案二：頂錨桿間距為1 100 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 400 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

方案三：頂錨桿間距為1 400 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 000 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

2.2 優(yōu)化支護(hù)方案的確定

為最終確定適用于3 號(hào)煤層工作面巷道掘進(jìn)的最終支護(hù)方案，本節(jié)將基于FLAC3D 軟件對(duì)不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)3 號(hào)煤層工作面的地質(zhì)條件和巖層的相關(guān)屬性建立如圖1 所示的模型。

圖1 數(shù)值模擬模型

如圖1 所示，所建立的數(shù)值模擬模型的高度為36 m，寬度為36 m，深度為40 m。根據(jù)地質(zhì)條件的應(yīng)力參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，而后對(duì)不同支護(hù)方案下對(duì)應(yīng)頂板、兩幫的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果對(duì)比 MPa

如表2 所示，方案一對(duì)應(yīng)3 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)后頂板和兩幫豎直集中應(yīng)力的最大值均最小。因此，本工程選用方案一對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行支護(hù)。

3 快速掘進(jìn)機(jī)械配套研究

影響巷道快速掘進(jìn)的因素眾多，包括設(shè)備問題、工藝問題、管理問題和自然條件。本小節(jié)針對(duì)設(shè)備問題對(duì)3 號(hào)煤層快速掘進(jìn)設(shè)備的機(jī)械配套進(jìn)行研究。

該工作面巷道主要采用爆破掘進(jìn)方式進(jìn)行掘進(jìn)，并采用手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行打眼。為解決其效率低的問題，本工程將采用CMJ17HT 型的掘進(jìn)鉆車進(jìn)行打眼，以提高打眼效率，同時(shí)降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

為提升巷道的排矸、裝巖速度和效率，本文工程將采用履帶式液壓挖斗裝載機(jī)替代耙矸機(jī)對(duì)巷道巖石進(jìn)行清理，從而提高整個(gè)工作面的裝巖速度；同時(shí)，為提升排矸速度，本工程將采用梭車與皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)相結(jié)合的方式對(duì)巖石進(jìn)行裝載、運(yùn)行。整個(gè)掘進(jìn)工作面所配套機(jī)械的作業(yè)如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)工作面機(jī)械配套作業(yè)

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)工作面的快速掘進(jìn)，使其能夠與煤層的高效、安全開采相匹配是提高煤礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。針對(duì)影響硬巖巷道快速掘進(jìn)的問題，本文主要對(duì)巷道支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，從而在保證巷道安全生產(chǎn)的同時(shí)提高作業(yè)效率，降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度；對(duì)掘進(jìn)巷道配套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行匹配性選擇，從而達(dá)到提升巷道掘進(jìn)效率的目的。通過上述兩項(xiàng)措施，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦巷道快速掘進(jìn)。