工作面高抽巷掘進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用

康 智

（潞安化工集團(tuán)寺家莊公司，山西 昔陽(yáng) 045300）

0 引言

隨著煤礦不斷作業(yè)，礦井深度加大導(dǎo)致了巷道地應(yīng)力的上升，使得圍巖相對(duì)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，由此而引發(fā)的問(wèn)題在于炮掘作業(yè)的難度上升，掘進(jìn)效率明顯下降。特別是在高瓦斯礦井中，為有效應(yīng)對(duì)工作面瓦斯問(wèn)題，常規(guī)做法是通過(guò)在煤層頂板設(shè)置高抽巷來(lái)實(shí)施瓦斯抽放。高抽巷通常被設(shè)計(jì)成全巖巷道，然而采用傳統(tǒng)的炮掘工藝往往效率較低，這直接影響了井下采掘的連續(xù)性，甚至容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1]。本文為提高工作面高抽巷掘進(jìn)效率，以山西省某煤礦3503工作面高抽巷為例，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)方式進(jìn)行研究。

1 工程概況

3503 高抽巷四周分布分別為實(shí)體煤（北）、皮帶巷（南）、運(yùn)輸巷（西）與井田邊界（北），其中運(yùn)輸巷與高抽巷平行布設(shè)。3503 工作面切眼長(zhǎng)290 m，可采長(zhǎng)度1 209 m，設(shè)計(jì)運(yùn)輸巷道長(zhǎng)度1 324 m，風(fēng)巷1 200 m，高抽巷1 228 m，已探明可采儲(chǔ)量約298 萬(wàn)t。煤層平均厚度6.49 m，埋深525～545 m。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 頂板圍巖探測(cè)

在巷道開(kāi)口頂板采樣，之后煤巷每間隔300 m、巖巷每間隔500 m 進(jìn)行一次采樣。利用錨索鉆機(jī)探測(cè)頂板巖體特性，其探測(cè)深度應(yīng)到超過(guò)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 m，90°角，我們必須對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)開(kāi)展研究以確定巖石特性。錨索半徑22 mm，長(zhǎng)達(dá)7.2 m，且探測(cè)最大深度8.5 m。值得注意的是，隨著錨索長(zhǎng)度的變化，我們必須靈活改變探測(cè)深度，以保證其超過(guò)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度至少2 m。這一系統(tǒng)性的調(diào)整機(jī)制對(duì)于維持錨索系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性至關(guān)重要。頂板圍巖探測(cè)分析結(jié)果，如表1 所示。

表1 某煤礦3503 工作面頂板探測(cè)情況表

2.2 支護(hù)工藝與支護(hù)參數(shù)

3503 高抽巷斷面呈直墻半圓，支護(hù)方式為錨桿、錨索以及鋼筋網(wǎng)三者共同構(gòu)成。該巷道在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中礦壓步距較低，支護(hù)錨具未出現(xiàn)斷裂、破損現(xiàn)象，表明該支護(hù)強(qiáng)度能夠達(dá)到3503 高抽巷掘進(jìn)作業(yè)中頂板支護(hù)需求，支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)選取合理。錨桿、錨索規(guī)格分別為Φ20 mm×2 000 mm、Φ22 mm×7 200 mm，制作原料分別為左旋無(wú)縱肋螺紋鋼與低松弛鋼絞線。3503 高抽巷斷面參數(shù)，如表2 所示。

表2 3503 高抽巷斷面參數(shù)

頂部支護(hù)幫錨桿與頂錨桿間/ 排距分別為：800 mm/900 mm；900 mm/900 mm，頂錨索相距180cm布設(shè)一根，同排3 跟，使用W 鋼帶交錯(cuò)排布，強(qiáng)化支護(hù)。臨時(shí)支護(hù)使用內(nèi)注式單體液壓柱，采用DN20 液壓柱，0.4 m×0.3 m×0.2 m 柱鞋，主備模式，7 根主液壓柱、3 套主柱鞋柱帽，3 根備液壓柱、1 套備柱鞋柱帽。支護(hù)距離工作面迎頭不超0.50 m，液壓柱距離工作面掌頭不超50 m，臨時(shí)支護(hù)最長(zhǎng)不應(yīng)超出7 h。

在開(kāi)采過(guò)程中除巷內(nèi)支護(hù)外，還應(yīng)使用沿空留巷旁支護(hù)。巷旁支護(hù)有柱式、垛式、墻式、錨注式等支護(hù)方式，其中墻式支護(hù)具有增阻速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在該煤礦工作面采用墻式巷旁支護(hù)。墻式巷旁支護(hù)通常采用混凝土填充，在該煤礦中為進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，將鋼帶支架交錯(cuò)排布在混凝土填充袋中，在外部采用預(yù)應(yīng)力對(duì)拉錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋托梁進(jìn)行護(hù)表[2]。在填充混凝土后，因收到內(nèi)部與外部雙向約束力，該墻體破壞模式發(fā)生改變，承載力與抗變形力有著明顯提高。支護(hù)墻體使用B50 混凝土，厚度100 cm，對(duì)拉錨桿直徑18.2 mm，長(zhǎng)度為120 cm，間/排距分別為800 mm/800 mm，填充袋內(nèi)部的鋼帶支架使用直徑為6 mm 的鋼筋網(wǎng)捆綁扎緊形成。該墻體混凝土終凝強(qiáng)度超出42 MPa，墻式巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

圖1 混凝土墻式巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3 掘進(jìn)施工工藝

3.1 施工方法

3503 工作面高抽巷全斷面一次爆破掘進(jìn)，并利用扒巖機(jī)與帶式輸送機(jī)運(yùn)出矸石。巷道未開(kāi)鑿時(shí)，第一個(gè)任務(wù)在于找出中心線及洞口的精準(zhǔn)位置，工程實(shí)施時(shí)推崇位于5 m 處采取短挖短錨法。爆破作業(yè)完成之后的工序應(yīng)包括實(shí)施敲幫問(wèn)頂及對(duì)臨時(shí)支護(hù)的有序進(jìn)行。經(jīng)過(guò)支護(hù)工程的完成并經(jīng)驗(yàn)收合格后，才能安排掘進(jìn)工作。

3.2 掘進(jìn)方式

結(jié)合方案來(lái)看，采取巖巷一次爆破流程主要為：在進(jìn)行作業(yè)安全檢查時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行交接程序，確保所有工序符合規(guī)范。巷道輪廓線和拱基線的確定是關(guān)鍵步驟，需要仔細(xì)梳理地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以確保支護(hù)系統(tǒng)的有效性。搭架、定炮眼、編號(hào)、標(biāo)定人員等工作應(yīng)在作業(yè)前有序完成，以確保整個(gè)爆破過(guò)程的精準(zhǔn)性。定鉆、確定方位、調(diào)整等操作必須精準(zhǔn)無(wú)誤，確保鉆孔布置符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。檢查炮眼、裝藥、連線等步驟應(yīng)當(dāng)細(xì)致入微，杜絕任何疏漏[3]。設(shè)警戒、爆破后的除塵工作，以及降低瓦斯含量的措施，是為了確保爆破操作環(huán)境的安全。爆破后要仔細(xì)檢查殘孔，進(jìn)行盲炮、拒爆、殘爆等處理，清除渣巖、出矸，臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)的合理施行是確保工程質(zhì)量和安全的必要手段。最終，去除臨時(shí)支護(hù)是整個(gè)作業(yè)的收尾工作，需要謹(jǐn)慎有序地完成。

3.3 爆破作業(yè)

在爆破工程中，采用掏槽眼與采掘工作面斜交的方式，以確保外眼眼口在輪廓線0.1 m 內(nèi)，同時(shí)保持眼底位于輪廓線，形成每1.8 m 循環(huán)一次的布局。選用三級(jí)乳化炸藥，采用自產(chǎn)裝藥設(shè)備，裝藥長(zhǎng)度為6 m，搭配毫秒延遲雷管，確保最后一步不超過(guò)130 ms。炮眼的利用率高達(dá)90%，一次引爆的最大消耗為32 kg。

炮眼深度計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：L 表示施工進(jìn)度，取值80 m；t 表示作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，取25 d；N 表示循環(huán)次數(shù)，此處取值2 次；α、β 分別表示循環(huán)率與炮眼利用率，分別取值0.8 與0.9。結(jié)合實(shí)際情況，鉆孔深度達(dá)到2.2 m 的條件下，使用YT-28 氣腿鉆機(jī)搭配2.5 m 空心六角鋼鉆桿進(jìn)行風(fēng)鉆作業(yè)。在此背景下，試排方法的設(shè)計(jì)允許最多配置48 個(gè)炮眼。聚焦于炮眼布置的優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整炮眼位置，深化研究以提高地下資源勘探的效率。爆破涉及正向裝藥、炮眼口的實(shí)填和平封等關(guān)鍵步驟[4]。在實(shí)施全斷面爆破策略時(shí)，采用毫秒級(jí)延遲電雷管引爆，注重按順序從掏槽眼出發(fā)，引入智能引爆裝置進(jìn)行操作，由高能脈沖發(fā)爆器、放炮母線、連接線、雷管腳線等組成，整體串聯(lián)接線，正向裝藥，如圖2 所示。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 裝載與運(yùn)輸

3503 工作面高抽巷使用P—60B 型耙斗裝巖機(jī)與帶式輸送機(jī)配合運(yùn)輸矸石，無(wú)極繩轉(zhuǎn)車、WCL5Y 型履帶車輸送材料，設(shè)備使用情況如表3 所示。

表3 運(yùn)輸設(shè)備使用情況

3503 工作面排矸線路，采用高抽巷耙斗裝巖機(jī)進(jìn)行矸石的排除工作。系統(tǒng)包括工作面、西部高抽進(jìn)風(fēng)巷、溜矸眼、溜矸下巷、新景礦大皮帶以及地面等要素。在物流系統(tǒng)中，原材料需經(jīng)由斜坡底部運(yùn)送至高抽巷和下料巷，其過(guò)程涉及到55 kW 的卷?yè)P(yáng)機(jī)，其作用是按照斜坡的傾斜度進(jìn)行輸送。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在有效實(shí)現(xiàn)物料輸送，并通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)的動(dòng)力調(diào)整，確保斜坡運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性；平巷運(yùn)輸和進(jìn)出車場(chǎng)采用人工推車方式，通過(guò)無(wú)極繩回轉(zhuǎn)至高抽巷入口500 m 處。在人工卸載后，履帶板車負(fù)責(zé)將物料順利運(yùn)送至工作面。整個(gè)運(yùn)輸路線包括地面、副立井、輔運(yùn)巷、高抽措施巷、下料巷以及西部高抽進(jìn)風(fēng)巷，最終抵達(dá)工作面。這套復(fù)雜而有序的流程體現(xiàn)了科學(xué)、高效的煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)，確保了物料順利輸送至目標(biāo)地點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

高抽巷在煤礦工程中扮演著至關(guān)重要的角色，其通常是全巖巷道，尤其在支護(hù)和掘進(jìn)工藝方面顯得尤為關(guān)鍵。以山西省某煤礦3503 工作面為例，采用聯(lián)合支護(hù)和全斷面一次起爆技術(shù)，不僅在實(shí)際操作中展現(xiàn)出顯著的工作效率提升，同時(shí)也在成本方面取得了令人矚目的節(jié)約，減少煤礦安全事故發(fā)生，對(duì)高抽巷掘進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。