工作面大巷快速掘進(jìn)工藝優(yōu)化

晉 弘

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030020）

煤炭作為當(dāng)前主要利用的資源之一，將來對煤炭資源的需求量將會越發(fā)增大。因此，需要提升煤礦的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。目前，制約煤炭開采消費(fèi)的主要原因?yàn)榫蜻M(jìn)效率低所導(dǎo)致。因此，實(shí)現(xiàn)煤礦采掘效率的平衡化對于保證礦上的開采效率非常重要，尤其是如今主要開采對象為深部煤層[1]。本文將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對影響煤礦快速掘進(jìn)的因素進(jìn)行綜合分析，并最終對快速掘進(jìn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

本文以2#煤層所屬工作面為例開展系列研究，該工作面煤層的平均厚度為3.2 m，煤層平均傾角為6°。整體上，該工作面的地質(zhì)條件處于層理并且節(jié)理發(fā)育狀態(tài)。經(jīng)預(yù)測，工作面在實(shí)際掘進(jìn)過程中所涌出的瓦斯的最大絕對值為0.36 m3/min。2#煤層所屬工作面的頂?shù)装鍡l件，如表1 所示。

表1 2#煤層所屬工作面頂?shù)装鍡l件

經(jīng)對2#煤層所屬工作面地質(zhì)條件的煤巖層的力學(xué)性能進(jìn)行測試得出：該工作面基本頂?shù)目箟簭?qiáng)度為19.27 MPa，直接頂?shù)目箟簭?qiáng)度為4.84 MPa；工作面直接底的抗壓強(qiáng)度為26.21 MPa，基本底的抗壓前度為64.56 MPa?？偟膩碇v，2#煤層所屬工作面直接頂抗壓強(qiáng)度較小，即說明其穩(wěn)定性較差，容易在巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)較大的變形。而且，工作面頂?shù)装逯械纳百|(zhì)泥巖和粉砂巖處于泥質(zhì)膠結(jié)狀態(tài)，在實(shí)際掘進(jìn)過程中當(dāng)出現(xiàn)淋水和底板積水的情況會導(dǎo)致巖層軟化膨脹的情況，最終使得巷道的變形量增大[2]。

2 影響巷道快速掘進(jìn)的因素分析

對于某個(gè)工作面巷道而言，影響其快速掘進(jìn)的因素除了巷道本身的地質(zhì)條件外，還需掘進(jìn)巷道時(shí)所采用的設(shè)備、工藝以及支護(hù)效率相關(guān)。對于2#煤層工作面而言，由于該工作面處于地下的深度較大且對應(yīng)的地應(yīng)力也較大，其頂板的穩(wěn)定性較差。因此，在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)需要花費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行支護(hù)，間接了增加了巷道的掘進(jìn)時(shí)間，即降低了巷道的掘進(jìn)速度[3]。針對本工程影響其掘進(jìn)效率的因素主要為支護(hù)效率和掘進(jìn)工藝流程。

2.1 工作面地應(yīng)力分布特征分析

在工作面共布置5 個(gè)測量孔對其地應(yīng)力的分布特征進(jìn)行分析，每個(gè)測量孔的具體技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 地應(yīng)力測量孔具體參數(shù)

基于上述五個(gè)測量孔對工作面巷道的地應(yīng)力進(jìn)行測試分析可知：該工作面的最大主應(yīng)力為25.3 MPa，且該最大主應(yīng)力的朝向?yàn)闁|北-西南方向；根據(jù)巷道的走向方向，其掘進(jìn)方向與最大主應(yīng)力方向的夾角為18°。整體上講，該工作面巷道的應(yīng)力較高，在實(shí)際掘進(jìn)施工過程中兩幫巖層容易被破壞；因此，需加強(qiáng)對巷道兩幫的支護(hù)。

2.2 工作面圍巖松動圈測試

本工程采用型號為YTJ-20 型巖層探測儀對工作面的圍巖松動圈進(jìn)行測試。所設(shè)計(jì)的窺視孔在現(xiàn)場的布置，如圖1 所示。

圖1 工作面圍巖松動圈測試窺視孔布置

如圖1 所示，分別在現(xiàn)場布置三個(gè)窺視孔。經(jīng)測試，分別對工作面頂板、底板以及左右兩幫的破裂區(qū)域、裂隙發(fā)育區(qū)域、塑性變形區(qū)域以及穩(wěn)定區(qū)域的范圍進(jìn)行確定[4]。對于頂板而言，在0～0.8 m 范圍之內(nèi)屬于破碎區(qū)，大于3.6 m 的范圍屬于穩(wěn)定區(qū)域；底板的破碎區(qū)范圍在0～1.5 m 之間，穩(wěn)定區(qū)域在大于4.9 m的范圍；左右兩幫在0～1.0 m 之間屬于破裂區(qū)域，穩(wěn)定區(qū)域在大于4.2 m 的范圍。

本章對工作面巷道的地應(yīng)力分布和圍巖松動圈測試結(jié)果分析將為后續(xù)掘進(jìn)工藝的優(yōu)化提供支撐。

3 快速掘進(jìn)工藝的優(yōu)化

目前，工作面采用EBZ160MH 掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)巷道的掘進(jìn)任務(wù)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)掘錨護(hù)一體化設(shè)計(jì)。在整個(gè)掘進(jìn)過程中包含有8 個(gè)工序及其每個(gè)工序所消耗的時(shí)間如下：交接班（15 min）、安全檢查（15 min）、割煤運(yùn)煤（40 min）、敲幫問頂（10 min）、臨時(shí)支護(hù)（15 min）、頂部錨網(wǎng)（30 min）、幫部錨網(wǎng)（55 min）和清理（40 min）。在上述掘進(jìn)工序下，設(shè)備每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的長度為1.3 m，每天可推進(jìn)8 個(gè)循環(huán)尺。則，在當(dāng)前掘進(jìn)工藝下每天可掘進(jìn)工作面的速度為10.4 m/d。

為實(shí)現(xiàn)工作面巷道的快速掘進(jìn)，在綜合分析該工作面巷道基本情況、地應(yīng)力分布規(guī)律以及圍巖松動圈的測試結(jié)果后，主要從交接班、割煤方式、永久支護(hù)方式以及整體工序進(jìn)行優(yōu)化[5]。

1）交接班工序優(yōu)化：針對此重點(diǎn)通過提升現(xiàn)場交接工作人員的標(biāo)準(zhǔn)化意識，并對涉及到的設(shè)計(jì)進(jìn)行定期檢修。

2）永久支護(hù)方式的優(yōu)化：綜合考慮巷道的地應(yīng)力分布和圍巖松動圈的測試結(jié)果，確定永久支護(hù)方案如下：采用直徑為25 mm，長度為2 500 mm 的高強(qiáng)錨桿；其中頂部錨桿的間排距為750 mm×700 mm，兩幫錨桿間排距為700 mm×700 mm。頂板在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用直徑為21.6 mm，長度為7 500 mm 的鋼絞線進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，間距為1 200 mm；兩幫在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用直徑為21.6 mm，長度為4 300 mm 的鋼絞線進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，間距為1 000 mm。

實(shí)踐表明，在2#煤層工作面采用掘錨護(hù)一體化掘進(jìn)工藝后，工作面巷道最高掘進(jìn)速度可達(dá)15.7 m/d，平均掘進(jìn)速度可達(dá)13.7 m/d，較原掘進(jìn)工藝可提高31.7%。同時(shí)，采用掘錨護(hù)一體化掘進(jìn)工藝后，現(xiàn)場參與掘進(jìn)工作人員的數(shù)量每班從66 人降低至62 人；在實(shí)際掘進(jìn)過程中巷道圍巖得到有效控制，其中頂板的最大離層量僅為36 mm，兩幫的最大移近量僅為120 mm。

4 結(jié)語

本著提高巷道掘進(jìn)速度和效率，實(shí)現(xiàn)工作面采掘平衡的效果。本文以2#煤層所屬工作面為例，提出采用掘錨護(hù)一體化的掘進(jìn)工藝，并通過實(shí)踐生產(chǎn)驗(yàn)證優(yōu)化后掘進(jìn)工藝的應(yīng)用效果。具體總結(jié)如下：

1）工作面的最大主應(yīng)力為25.3 MPa，需加強(qiáng)對巷道兩幫的支護(hù)。

2）以EBZ160MH 掘進(jìn)機(jī)為核心，在對其支護(hù)優(yōu)化和工序優(yōu)化的基礎(chǔ)上，工作面的掘進(jìn)速度提升31.7%，人員數(shù)量可精簡4 人，同時(shí)在施工過程中可對圍巖進(jìn)行有效控制。