弱黏結復合頂板巷道快速掘進技術研究

魏海礁

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

近幾年，在礦井開采中隨著先進的、大功率機電設備應用推廣，煤炭生產(chǎn)效率及安全保障能力等均得以明顯提升[1-2]。相對于煤炭開采技術、設備而言，巷道掘進技術及設備仍有較大的提升空間，采面推進速度快而巷道掘進速度、掘進工程量大等導致礦井普遍面臨采掘接替緊張問題[3]。特別是巷道在弱黏結復合頂板條件下掘進時，巷道掘進效率更低，掘進速度較慢[4-6]。以山西某礦31106 運輸巷掘進為工程背景，巷道頂板為復若黏結復合頂板，針對制約巷道快速掘進因素進行分析，并給出掘進工藝及支護措施，實現(xiàn)了巷道快速掘進。

1 31106 運輸巷概況

山西某礦設計產(chǎn)能380 萬t/a，回采煤層包括2號、3 號、7 號、11 號及12 號等，礦井為高瓦斯礦井，正常生產(chǎn)期間絕對、相對瓦斯涌出量分別為36m3/min、7.1m3/t?，F(xiàn)生產(chǎn)集中在11 號煤層，11 號煤厚7.3m、傾角3°～10°，煤層中有3～5 層碳質(zhì)泥巖、泥巖夾矸，厚度合計0.5～1.7 m。31106 運輸巷沿著11 號煤層頂板掘進，長度2890 m，采用綜掘方式，使用綜掘機型號為EBZ-100E，圍巖采用錨網(wǎng)索支護方式。根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示，在31106 運輸巷掘進范圍內(nèi)11 號煤層基本頂為粉砂巖，質(zhì)地較為密實，厚度均值2.38 m，部分區(qū)域夾雜有菱鐵質(zhì)薄層結構；直接頂為泥巖、細砂巖復合頂板，泥巖裂隙發(fā)育且含植物化石，細砂巖主要成分為石英砂，并含有一定量長石，直接頂厚度均值4.2 m；偽頂為0.3～0.9 m 泥巖、碳質(zhì)泥巖，強度較低；直接底為泥巖，厚度3.5 m；基本底為石灰?guī)r，厚度10.8 m，堅硬。

31106 運輸巷在掘進過程中受現(xiàn)場條件制約，巷道實際掘進進尺僅為180 m/月，通過分析發(fā)現(xiàn)制約巷道掘進效率提升的因素為：31106 運輸巷所在區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構造較為復雜，預計掘進期間會揭露多條落差介于0.8～3.6 m 斷層，在斷層影響區(qū)會影響掘進速度；運輸巷沿著11 號煤層頂板掘進，而煤層頂板為典型的復合頂板，整體結構不太完整，導致巷道在掘進期間容易出現(xiàn)冒頂、片幫以及圍巖變形量大等問題；復合頂板會給31106 運輸巷成型帶來影響，在頂板結構影響下巷道掘進工作開展難度較高，導致巷道無法實現(xiàn)快速掘進。

2 31106 運輸巷快速掘進優(yōu)化

2.1 掘進設備選型優(yōu)化

合適的掘進設備是保障巷道快速掘進的基礎，在選用掘進設備時應綜合考慮下述因素：掘進設備應具備較好的經(jīng)濟性，且設備與井下現(xiàn)有的運輸?shù)容o助設備配套；掘進設備應有一定的富裕度，以便保證不同設備間可合理配合，實現(xiàn)掘進系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)；由于31106 運輸巷掘進區(qū)域地質(zhì)條件、頂板條件相對較為復雜，因此選用的掘進機應在截割深度、功率及截割高度等方面有較強的適應能力，具備有較快掘進速度及靈活性[7-9]。

根據(jù)上述分析并結合礦井現(xiàn)場情況、掘進設備配備情況，決定在31106 運輸巷選用EBZ200 掘進機掘進，該掘進機具備有較好的爬坡性能、截割齒破巖效率高、智能化程度高，同時設備運行時發(fā)熱量低、日常維護及檢修工作量小，可大幅減少設備故障引起的掘進停止問題。

2.2 快速掘進工藝

2.2.1 截割工藝優(yōu)化

掘進用的EBZ200 掘進機截割齒排列緊密，設備運行工況可達到325 kW，能有效提升掘進破煤巖效率。綜掘機截割效率與截割進刀路徑有密切關聯(lián)。因此針對頂板條件相對較好、頂板破碎兩種條件采用不同的截割路徑，以便進一步提升截割效率。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件變化選用合適截割路徑，具體如圖1 所示。當掘進區(qū)域內(nèi)巷道圍巖條件相對較高，則綜掘機截割部采用中心進刀后逐步向四周刷擴方式掘進，具體截截割路徑如圖1-1 所示；當掘進區(qū)頂板破碎、穩(wěn)定性較差時，將截割面劃分前后順序并逐漸截割，通過減少截割過程中頂板空頂及懸空面積，提高掘進安全性同時不會給巷道掘進效率產(chǎn)生明顯影響，具體截割工藝為：先截割掘進面1/3 寬度，此部分截割完成后再截割剩余部分，截割路徑如圖1-2 所示。

2.2.2 作業(yè)工序優(yōu)化

對以往巷道掘進作業(yè)過程進行分析，在巷道掘進時支護耗時占整個掘進時間50%以上，若對作業(yè)工序進行優(yōu)化，在巷道支護時平行開展其他一些工作，即可顯著提升巷道掘進效率。巷道支護時錨桿及錨網(wǎng)支護施工相對簡單，但是在錨桿安裝時需暫停掘進作業(yè)，在對作業(yè)工序進行優(yōu)化時可對巷道圍巖中容易失穩(wěn)位置進行支護，其余位置支護則支護迎頭10～20 m開展，從而實現(xiàn)部分支護與掘進工作平行開展，降低支護對掘進影響，實現(xiàn)不同工序交叉平行作業(yè)，具體工作安排如圖2 所示。在幫錨桿施工時可平行開展延長帶式輸送機工作、在掘進機維護期間可延伸供電電纜等，通過多工序平行作業(yè)，提高工作效率。

圖2 多工序平行作業(yè)示意圖

2.3 掘進支護工藝優(yōu)化

巷道采用錨桿支護圍巖，采用的圍巖支護技術耗時長，難以滿足31106 運輸巷高效掘進需要，同時31106 運輸巷頂板為弱黏結復合頂板，在掘進時頂板冒落風險較高，導致臨時支護耗時長且管理難度高，后續(xù)頂板錨網(wǎng)容易形成網(wǎng)兜。為此，對31106 運輸巷采用的支護工藝進行優(yōu)化，具體支護方案為：首先在巷道迎頭頂板布置7 根錨桿，將巷道頂板最大空頂距控制在2 m 以內(nèi)；巷幫8 根錨桿滯后掘進迎頭10 m開始，降低巷幫錨桿施工對掘進影響；頂板錨索之后掘進迎頭20 m 開始，降低頂板錨索施工對掘進影響，具體巷道支護斷面如圖3 所示。

2.4 作業(yè)循環(huán)優(yōu)化

在巷道掘進時需消耗大量的人力及物力資源，且工作人員勞動強度較大，雖然綜掘設備應用可在一定程度降低工作人員勞動強度，但是工作人員作業(yè)效率會明顯影響掘進效率。結合31106 運輸巷現(xiàn)場地質(zhì)條件、掘進隊人員配置等情況，巷道掘進采用“三·八”作業(yè)循環(huán)方式，中班及晚班進行掘進及圍巖支護，早班進行檢修及設備維護，同時中班負責支護質(zhì)量檢查工，以便發(fā)現(xiàn)支護質(zhì)量問題及時處理，提高支護體系支護強度。

3 結論

對影響31106 運輸巷快速掘進因素進行分析，巷道頂板為復合頂板以及掘進區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構造相對復雜是導致巷道掘進效率不高的因素之一，同時掘進設備、支護安排等也會在一定程度影響掘進進尺。為實現(xiàn)31106 運輸巷高效掘進，根據(jù)現(xiàn)場條件選用EBZ200 掘進機破煤巖，充分發(fā)揮掘進機可靠性強及功率大優(yōu)點。

對掘進截割進刀、支護及循環(huán)作業(yè)方式等進行優(yōu)化。在地質(zhì)條件較好、頂板較穩(wěn)定區(qū)域采用中間進刀方式，實現(xiàn)快速掘進；在頂板破碎、穩(wěn)定性不佳區(qū)域則通過分部進刀方式截割，便于提高頂板穩(wěn)定性并提高截割效率。頂板錨桿僅跟迎頭支護、巷幫錨桿滯后迎頭10～20 m、頂板錨索滯后迎頭20 m 支護，在滿足圍巖控制需要同時降低支護給掘進影響?，F(xiàn)場應用后，31106 運輸巷掘進進尺可達到350 m/月，不僅可實現(xiàn)弱黏結復合頂板控制需要，而且提高了巷道掘進效率。31106 運輸巷耗時8.3 個月即可完成掘進，可為31106 工作面早日投產(chǎn)爭取時間。