大傾角倒梯形煤巷新型配套快速掘進(jìn)技術(shù)研究

孫立虎，王 敏，于冰冰，高正華

(1.新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤巷掘進(jìn)里程達(dá)8000 km以上，巷道工程規(guī)模大，且隨著礦井開采規(guī)模遞增，礦井逐漸向大型化、機械化和智能化方向發(fā)展[1-5]。為了滿足設(shè)備、運輸?shù)纫螅合锏闹悄芑焖倬蜻M(jìn)技術(shù)及工藝已成為煤炭行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著煤炭開采機械化程度不斷提高及新工藝的不斷出現(xiàn)，煤礦現(xiàn)有的“短掘短支”技術(shù)的工作效率已經(jīng)滿足不了企業(yè)的需求，已經(jīng)在向“長掘長支”技術(shù)靠攏，即支護(hù)裝備與掘進(jìn)裝備配套使用，從而實現(xiàn)煤巷的快速掘進(jìn)，大大加快掘進(jìn)效率[6-8]。但是對于深部煤炭開采領(lǐng)域，綜掘機掘進(jìn)和錨桿裝備支護(hù)的協(xié)調(diào)配合一直是研究的重點和難點，并且對于大傾角煤巷特殊斷面形式而言，其掘進(jìn)和支護(hù)之間的問題將會更加突出，支護(hù)問題和掘進(jìn)效率儼然已成為制約煤炭企業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素[9]。

王學(xué)強等[10]通過提高工作面掘進(jìn)系統(tǒng)裝備自動化和智能化程度，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面輕量化和快速化，建立了“掘錨一體機+錨桿轉(zhuǎn)載機+橋式轉(zhuǎn)載機+變頻調(diào)速帶式輸送機”的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)；惠興田等[11]分析了3種現(xiàn)有的快速掘進(jìn)技術(shù)和臨時支護(hù)中存在的問題，針對目前以懸臂式掘進(jìn)機為主的掘進(jìn)方式，分析總結(jié)了影響掘進(jìn)速度的各種因素，提出在以懸臂式掘進(jìn)機的方式下如何安全有效提高煤巷掘進(jìn)速度的思路和方法；白偉等[12]針對韓城礦區(qū)桑樹坪煤礦巖巷掘進(jìn)存在的問題，分析了巖巷掘進(jìn)的主要影響因素，根據(jù)桑樹坪煤礦現(xiàn)有的巖巷掘進(jìn)工藝及地質(zhì)條件，優(yōu)化了爆破參數(shù)和支護(hù)參數(shù)，研制了一套適用于該地質(zhì)條件下的巖巷快速掘進(jìn)機械化作業(yè)裝備。王步康等[13]在總結(jié)掘進(jìn)技術(shù)與裝備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)階段國家政策、行業(yè)發(fā)展、市場需求、新技術(shù)應(yīng)用等方面的現(xiàn)狀，從巷道掘進(jìn)基礎(chǔ)理論研究、裝備智能化與成套化、掘進(jìn)機器人、現(xiàn)代感知技術(shù)等層面，預(yù)測了掘進(jìn)技術(shù)與裝備未來發(fā)展方向與趨勢。

從上述研究成果中可知，大部分煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)研究的對象都是標(biāo)準(zhǔn)矩形巷道[14-17]，但是煤礦中仍然有很多不規(guī)則的特殊斷面形式(倒梯形為主)[18-20]，掘錨一體化和礦用盾構(gòu)機工藝難以適用，對于該類巷道的研究很少。因此，本研究以內(nèi)蒙古長城五礦1902S回風(fēng)巷的掘進(jìn)支護(hù)工藝為基礎(chǔ)，通過新型裝備的搭配來解決大傾角倒梯形巷道(傾斜頂板)的快速掘進(jìn)配套裝備及工藝問題，并對比分析新型工藝與原人工風(fēng)鉆工藝的勞動組織形式，平均進(jìn)尺等數(shù)據(jù)量化掘進(jìn)效果，最終得到適用于倒梯形(特殊斷面)巷道的新型配套快速掘進(jìn)工藝并加以推廣。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 實驗地點

山東能源長城五礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟鎮(zhèn)，該地區(qū)巖層勘探結(jié)果卻是上二疊系山西組，同時地層內(nèi)部所含層狀裂隙水多為石炭系太原組灰?guī)r及砂巖含水層，巖層與弱含水層均與東部地區(qū)近似，矛盾的地質(zhì)勘探結(jié)果也就導(dǎo)致以鄂爾多斯為主的內(nèi)蒙古西部地區(qū)地層條件極其復(fù)雜多變。同時由于獨特的地理位置，背靠以黃土高原地貌為主的寧夏，東近內(nèi)蒙古平原，從高原向平原的過渡地段導(dǎo)致該地區(qū)斷層數(shù)量多，地層成巖較晚，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；同時西鄰蜿蜒湍急的黃河，相比于大部分西部地區(qū)年降水量偏大。

種種因素共同造就了鄂爾多斯地區(qū)地層成巖時期了獨特的巖層條件和巖性特征，主要表現(xiàn)為：巖層的巖性受上覆弱含水層的水侵蝕影響較大，整體呈現(xiàn)弱膠結(jié)性狀，表現(xiàn)為“泥質(zhì)粉化”的特征；地下工程開挖過程中，圍巖自身強度低，保持穩(wěn)定性的能力較差，強度等力學(xué)參數(shù)折減較大，極易發(fā)生頂板冒落失穩(wěn)的現(xiàn)象。

1902S回風(fēng)巷頂板變形破壞現(xiàn)象如圖1所示。1902S回風(fēng)巷采用雙排距施工，即掘進(jìn)2.6 m作為單循環(huán)進(jìn)尺。巷道上覆壓力為10 MPa，側(cè)向壓力為15 MPa，橫向應(yīng)力系數(shù)達(dá)到1.5，地下水壓達(dá)到了4 MPa，內(nèi)部斷層。高地應(yīng)力與高水壓同巖石低強度，高滲透性之間的矛盾造成巖石力學(xué)行為的不穩(wěn)定性，疊加復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工環(huán)境影響，不論是巖巷還是煤巷，圍巖和巖層與淺部煤礦均表現(xiàn)出顯著的差異性。地層及地質(zhì)等原因造成巖石力學(xué)行為的弱化，導(dǎo)致了許多突發(fā)性的工程事故和災(zāi)難性的現(xiàn)象。

1.2 地質(zhì)及煤層狀況

該地區(qū)巖層以砂巖為主，分布于整個上、下采區(qū)，與灰?guī)r巖層交錯分布。礦區(qū)附近軟弱含水層較少，但巖石裂隙水含量較大，整體呈現(xiàn)弱膠結(jié)特征，各巖層穩(wěn)定性和圍巖控制程度較差，巖石強度偏小。巷道集中部位的巖層從上到下依次為中細(xì)砂巖，粉砂巖，泥質(zhì)灰?guī)r，9#煤，中細(xì)砂巖，細(xì)砂巖，中砂巖。巷道的頂板一般為泥質(zhì)灰?guī)r，部分夾雜著粉砂巖。

根據(jù)鉆孔資料及鄰近巷道實際揭露地質(zhì)資料揭露分析(圖2)，9煤厚度3.71～5.14 m，平均4.2 m。煤層含有夾矸，夾矸層數(shù)1至5層，夾矸厚度0.09～0.23 m，平均0.18 m。9煤層為對比可靠，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于可采的穩(wěn)定煤層。9#煤頂板巖性為灰?guī)r，厚度0.16～2.80 m，平均1.8 m，局部發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖偽頂；巖石飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度小于40 MPa，雖不是軟巖，但是由于地質(zhì)條件的復(fù)雜導(dǎo)致其產(chǎn)生了弱膠結(jié)特性，且該地區(qū)地層富含水，導(dǎo)致其強度等級與軟巖屬同一層次，遇水易產(chǎn)生溶解現(xiàn)象。底板巖性以中細(xì)砂巖為主、細(xì)粒砂巖次之，厚度3.73～4.65 m，平均4.0 m，偶見砂質(zhì)泥巖底板。底板巖石飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度小于40 MPa，屬軟弱巖石的一種。巖體中等完整～破碎，巖體質(zhì)量中等～差，屬不穩(wěn)定底板。

圖2 煤巖層柱狀

是頂板為泥質(zhì)灰?guī)r，且與頂板巖層緊鄰的粉砂巖巖層之間夾雜平均厚度為0.7 m的粉砂巖層，由于該巖層分布不均勻，所以未體現(xiàn)在地層柱狀圖中，但在后續(xù)的支護(hù)過程中需要特別注意。

2 原掘進(jìn)支護(hù)工藝方案

2.1 人工風(fēng)鉆施工流程

原人工風(fēng)鉆循環(huán)作業(yè)施工具體情況如圖3所示。

圖3 原方案單循環(huán)施工工序

1)施工工序：巷道掘進(jìn)，采用激光定向，綜掘落煤、綜掘機一運、二運再到帶式輸送機運煤的施工方法。

2)掘進(jìn)機生產(chǎn)工藝流程：交接班、安全檢查巷道質(zhì)量驗收→校對中腰線→掘進(jìn)機截割出矸、運輸支護(hù)材料→停電閉鎖→敲幫問頂→臨時支護(hù)(機載液壓前探梁)→支護(hù)錨桿、錨索→掛網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)→集中掃底→停電閉鎖→敲幫問頂→支護(hù)幫部錨桿→下一個單循環(huán)→清理衛(wèi)生、文明整治→交接班、質(zhì)量驗收。

3)巷道采用全斷面一次掘進(jìn)成巷的作業(yè)方式，嚴(yán)格按照規(guī)程中支護(hù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行臨時支護(hù)、永久支護(hù)和加強支護(hù)。其循環(huán)作業(yè)施工工序主要包括：安全檢查、準(zhǔn)備→校對中線→掘進(jìn)機割煤出煤→敲幫問頂→臨時支護(hù)→鋪網(wǎng)、安設(shè)鋼帶→校對中線→打頂錨索、幫部錨桿→清理出煤→掘進(jìn)機割煤→進(jìn)入下一日進(jìn)尺循環(huán)。

4)勞動組織形式。采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)方式組織生產(chǎn)，“三八”工作制。中、夜班2個循環(huán)，早班1個循環(huán)，每日完成5個循環(huán)。循環(huán)進(jìn)度2.0 m，日進(jìn)10 m，循環(huán)率89%，月進(jìn)260 m。

2.2 存在的問題

在現(xiàn)場調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，原人工風(fēng)鉆工藝采用的是機械掘進(jìn)，人工支護(hù)的方式，該工藝在施工過程中存在以下問題：

1)臨時支護(hù)與永久支護(hù)均為人工支護(hù)，現(xiàn)場施工人員人數(shù)較多且施工人員的勞動強度大，永久支護(hù)過程中錨桿錨索打眼采用的風(fēng)鉆效率太低，支護(hù)一根錨桿需要12 min，一根錨索甚至需要30 min，雖然施工人員人數(shù)多，但也就導(dǎo)致支護(hù)速度仍然緩慢，采掘失衡的問題較為明顯。

2)現(xiàn)場人工風(fēng)鉆工藝僅能夠雙排距(2.6 m)施工，三組前探梁的臨時支護(hù)形式限制了單循環(huán)進(jìn)尺，巷道掘進(jìn)最大的空頂距為4.342 m，可以機進(jìn)行雙排距和三排距施工，浪費在拆卸臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)上的時間較多。

3)現(xiàn)場施工人員人數(shù)較多，施工現(xiàn)場管理較為混亂，缺少統(tǒng)一的調(diào)配，導(dǎo)致在施工過程中會出現(xiàn)偶發(fā)性斷檔，影響單循環(huán)的時間，單日的循環(huán)進(jìn)尺一般只能維持在4～5個循環(huán)，日進(jìn)尺為10 m左右。

3 新型配套自動化工藝

3.1 配套裝備及施工安排

3.1.1 工藝裝備介紹

為提高巷道掘進(jìn)的進(jìn)尺，保證礦井生產(chǎn)接續(xù)，進(jìn)一步提高井下施工的智能化程度，在1902S回風(fēng)巷巷道施工過程中，貫徹《關(guān)于加快推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)的指導(dǎo)意見》的宗旨，對掘進(jìn)支護(hù)配套相關(guān)裝備進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，形成了“大功率綜掘機+單軌吊四臂液壓錨桿鉆車+自移機尾+小型柴油單軌吊+皮帶集控”的自動化快速掘進(jìn)工藝，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面截割，支護(hù)，運料，運煤全流程連續(xù)性自動化作業(yè)，從而實現(xiàn)機械化向智能化邁進(jìn)的一大步。

新型配套快速掘進(jìn)工藝中以懸軌翼式錨桿鉆車為核心，包含大功率綜掘機的掘進(jìn)裝備以及后續(xù)的配套設(shè)備組合，形成“大功率綜掘機+單軌液壓錨桿鉆車+自移機尾+小型柴油單軌吊+皮帶集控”的新型智能化快速掘進(jìn)配套工藝作業(yè)線，相比于傳統(tǒng)的工風(fēng)鉆工藝，大大減少了現(xiàn)場施工作業(yè)人員，相關(guān)設(shè)備智能化，全作業(yè)流程自動化，現(xiàn)場僅需部分設(shè)備操作輔助人員即可；同時，相比于同時期新型的掘錨一體化機組工藝，該工藝能夠獨特的針對大傾角煤巷頂板支護(hù)困難方面，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的大斷面煤巷自動化掘進(jìn)支護(hù)問題。

3.1.2 勞動組織形式

以雙排距施工為例，采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)方式組織生產(chǎn)，“三八”工作制。中、晚班2個循環(huán)，早班2個循環(huán)，每日完成6個循環(huán)。為保證正規(guī)循環(huán)作業(yè)的完成，迎頭施工作業(yè)必須根據(jù)勞動組織的人員配備，合理安排工序，工序和工序之間合理交叉進(jìn)行，以充分利用工作時間，提高工時利用率。

為保證正規(guī)循環(huán)作業(yè)的完成，迎頭施工作業(yè)必須根據(jù)勞動組織的人員配備，合理安排工序，工序和工序之間合理交叉進(jìn)行，以充分利用工作時間，提高工時利用率。具體的施工工序時間見表1。

表1 具體施工工序時間表

3.2 工藝全流程

新型配套工藝的現(xiàn)場施工應(yīng)用流程：

1)大功率綜掘機在巷道工作斷面向前掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到合理支護(hù)排距后停止工作從巷道工作面迎頭后退至安全區(qū)域。

2)單軌液壓錨桿鉆車通過懸吊在巷道頂部中心線的軌道向前移動至工作面迎頭，鉆車全部位展開，向下展開支撐腳，待錨桿鉆車支撐穩(wěn)定后，通過液壓油缸向前伸展臨時支護(hù)平臺來頂住前方未支護(hù)巷道進(jìn)尺的頂部，鉆車臂同時伸展開始頂板和幫部支護(hù)作業(yè)；

3)支護(hù)作業(yè)完成后，鉆車臨時支護(hù)平臺和支撐腿全部收縮，并通過軌道運行至后方安全區(qū)域；即完成一個掘進(jìn)支護(hù)單循環(huán)。

在上述掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)進(jìn)行的同時，后路配套設(shè)備也在同步進(jìn)行作業(yè)：自移機尾代替了綜掘機機拉機尾，對采掘作業(yè)進(jìn)行輔助；小型柴油單軌吊從后方向前運輸支護(hù)施工所需的材料；帶式輸送機集控向后方不間斷運輸工作面迎頭處采掘出的煤炭等。該工藝的具體流程如圖4所示。

圖4 配套工藝施工流程

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

1902S回風(fēng)巷地質(zhì)條件特殊，巷道傾角達(dá)到28°，且巷道形狀為倒梯形，頂板傾斜角度過大，頂板巖性泥質(zhì)膠結(jié)，施工難度大，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺緩慢。新型配套工藝的應(yīng)用大大改善了施工的困境，同時配套裝備之間協(xié)作的連續(xù)性施工作業(yè)使得巷道掘進(jìn)速度得到了質(zhì)的提升。首先是綜掘機截割，從巷道中部進(jìn)行吃刀，按照先中后四周的截割順序進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，逐步達(dá)到巷道設(shè)計要求的工作斷面尺寸。單軌液壓錨桿鉆車通過起吊錨桿和懸吊在巷道頂部中心處，使用導(dǎo)軌系統(tǒng)來進(jìn)行前后移動，充分利用巷道上部空間，與下方綜掘機等后路配套裝備分開，獨立運行，如圖5所示。

圖5 1902S回風(fēng)巷巷道工作斷面布置(mm)

雙排距施工時，單軌吊錨桿鉆機前進(jìn)至掘進(jìn)前迎頭，展開后進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè)，W型鋼帶+鋼筋錨網(wǎng)鋪設(shè)在臨時支護(hù)平臺上，然后液壓系統(tǒng)將臨時支護(hù)平臺與前伸至傾斜頂板，雙排距的錨網(wǎng)鋪設(shè)及擬打錨索定位如圖6所示。

圖6 雙排距施工方案(mm)

單軌液壓錨桿鉆車臨時支護(hù)平臺支護(hù)距離可達(dá)4.0 m，結(jié)合 9層煤的頂板地質(zhì)條件，可以將單循環(huán)進(jìn)尺定為2.6 m和3.9 m，實現(xiàn)了一次移機支護(hù)2或3排距，一次循環(huán)完成掘進(jìn)進(jìn)尺2.6或3.9 m，完成臨時支護(hù)僅需10 min，完全取代了吊環(huán)式前探梁。其中現(xiàn)場支護(hù)情況如圖7所示，雙排距施工時，單軌吊錨桿鉆機前進(jìn)至掘進(jìn)前迎頭，展開后進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè)，W型鋼帶+鋼筋錨網(wǎng)鋪設(shè)在臨時支護(hù)平臺上，然后液壓系統(tǒng)將臨時支護(hù)平臺與前伸至傾斜頂板，與頂板很好的契合在一起。

圖7 雙排距支護(hù)裝備現(xiàn)場應(yīng)用(mm)

4 效果對比

4.1 具體施工情況

從施工情況的不同的角度對原人工風(fēng)鉆工藝與單軌液壓錨桿鉆車施工工藝進(jìn)行對比分析，同時考慮到僅以工藝施工為基準(zhǔn)，未計算相關(guān)配套設(shè)備對施工作業(yè)正負(fù)面影響?！熬C掘機+人工支護(hù)，綜掘機+單軌液壓錨桿鉆車”兩者同步施工，不考慮其他因素及特護(hù)情況的影響。綜合分析各種工藝下的施工人員數(shù)量，單循環(huán)持續(xù)時間，月平均進(jìn)尺等指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2不同掘進(jìn)支護(hù)工藝整體效果比較

4.2 頂板變形監(jiān)測

為了掌握兩種工藝施工過程中對于巷道圍巖的擾動情況，對現(xiàn)場巷道頂板的圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測。對巷道進(jìn)行測站布置(圖8)，沿頂板布設(shè)三個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點之間間隔1 m，對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析。

圖8 頂板監(jiān)測儀器布置

頂板的變形數(shù)據(jù)記錄如圖9所示，由圖9可知：

圖9 不同工藝的頂板變形數(shù)據(jù)

1)可以將頂板圍巖的變形分為3個階段：第一個階段是初始變形階段，圍巖的變形量穩(wěn)定增加；大約在10天后進(jìn)入圍巖變形加速階段，在這期間巷道變形急劇增加，巷道變形量占總變形量的50%以上。大約在28天后圍巖進(jìn)入穩(wěn)定期(第三階段)，這個階段的圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，雖然圍巖位移量可能會有所增加，但增量有限。

2)在初始變形階段，新型配套快速掘進(jìn)工藝的頂板變形量要大于人工風(fēng)鉆工藝，這是由于裝備施工對于圍巖的擾動要大于人工作業(yè)；第二和第三階段的變形量要小于人工風(fēng)鉆工藝，這是因為支護(hù)裝備的打孔深度和精確度要強于人工操作，錨桿錨索對于頂板的支護(hù)效果提高?？傮w上講，新型配套快速掘進(jìn)工藝對于圍巖的變形控制要優(yōu)于人工風(fēng)鉆工藝。

5 結(jié) 論

1)單軌液壓錨桿鉆車在新型配套工藝中占據(jù)重要位置，不僅能夠很好的適應(yīng)大傾角巷道支護(hù)，同時針對于傾斜頂板的類型也能夠很好的契合，最重要的是臨時支護(hù)平臺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“零空頂距和多排距”支護(hù)施工，對整個快速掘進(jìn)支護(hù)工藝起到非常好的配合作用。

2)新型配套快速掘進(jìn)工藝不僅能夠很好應(yīng)對復(fù)雜的施工環(huán)境，在保證安全施工的情況下，大大減少現(xiàn)場施工人員的數(shù)量，并且能夠進(jìn)行三排距施工，進(jìn)一步提高日進(jìn)尺。其中，月平均進(jìn)尺達(dá)到了392m，提高了42.03%，同時錨桿錨索的精確定位和高質(zhì)量打孔有利于頂板圍巖的變形控制。

3)“大功率綜掘機+單軌液壓錨桿鉆車+自移機尾+小型柴油單軌吊+皮帶集控”的新型智能化快速掘進(jìn)配套工藝作業(yè)線，相關(guān)設(shè)備智能化，全作業(yè)流程自動化，該工藝能夠針對大傾角煤巷傾斜頂板支護(hù)困難的問題，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的大斷面煤巷自動化掘進(jìn)支護(hù)問題，對于特殊斷面形式的煤巷掘進(jìn)提供指導(dǎo)。