綜掘煤巷空頂參數(shù)優(yōu)化及應用

王長云

(山西煤炭進出口集團有限公司)

近年來我國煤礦井下巷道掘進的裝備與技術發(fā)展迅猛[1-2]，使得掘進速度大幅提升，保障了礦井生產接替。巷道掘進是一個系統(tǒng)工程[3]，需要各環(huán)節(jié)密切配合，但現(xiàn)場掘進施工中頻發(fā)支護技術制約掘進裝備效能的現(xiàn)象，限制了掘進速度，造成采掘失衡，嚴重制約了礦井高產高效[4-5]。本文針對上述問題，在分析影響快速掘進因素的基礎上對掘進參數(shù)進行了合理優(yōu)化，以發(fā)揮裝備效能、提高掘進速度。

1 工程地質概況

1.1 生產地質條件

霍爾辛赫煤礦西輔運大巷用于礦井西翼采區(qū)的進風、輔助運輸，巷道斷面為矩形，寬5.5 m，高5.6 m，沿3#煤頂板掘進，埋深約495 m～525 m。3#煤平均厚約5.6 m，煤層有一定的傾伏變化，但幅度較小，其頂?shù)装鍘r層巖性見表1。該區(qū)域內地質構造簡單，無大型地質構造。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層巖性

1.2 巷道支護參數(shù)

西輔運大巷頂板采用錨桿（索）+鋼筋托梁聯(lián)合支護，錨桿選用φ22 mm×2 400 mm的500#的螺紋鋼錨桿，間排距850×1000mm；錨索采用φ22 mm×8 300 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為2 000 mm×2000 mm，每排3根。兩幫采用錨桿（索）+鋼筋托梁聯(lián)合支護支護，錨桿錨索材質與頂板相同，間排距850 mm×1 000 mm；錨索規(guī)格為φ22 mm×5 300 mm，間排距為1 500 mm×2 000 mm，每排3根。

2 存在的問題

西輔運大巷掘進速度慢、達不到設計要求，勢必影響礦井開拓規(guī)劃。根據(jù)現(xiàn)場觀測分析得出影響掘進進度的主要原因在于掘、支不平衡：一方面，現(xiàn)有支護強度遠大于“一掘一支”的施工工藝要求；另一方面，每掘進一排就需要支護一次，大量的時間浪費在綜掘機退出、支護用具搬運上，導致掘進機割煤時間僅占17～34%，而支護時間占50～67%，掘進快而支護慢。

為了解決該問題，需要優(yōu)化設計合理的空頂距離配合現(xiàn)有支護強度，在頂板條件允許的情況下將空頂距拉大，盡量使掘進和支護均擁有互不干擾的作業(yè)空間，做到平行作業(yè)。

3 掘進工作面合理空頂距優(yōu)化

3.1 數(shù)值計算模型

以西輔運大巷為研究對象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型進行分析。模型尺寸為長×寬×高=25 m×30 m×23.5 m，頂部以13 MPa垂直應力代以520 m埋深，模型各層按照表1所示巖層參數(shù)布置，建立的計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

各巖層物理力學性質見表2。

表2 各巖層物理力學性質參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結果及分析

分別計算空頂距為0～5排時圍巖的位移及應力分布特征、破壞范圍演化，其中得出的應力演化結果如圖2所示。

圖2 不同空頂距時迎頭前后頂板垂直應力分布

巷道掘進引起原巖體泄壓，在掘進工作面前方一定范圍內巖體應力出現(xiàn)小幅降低，而工作面后部的頂板在開挖后下沉，其內部垂直應力顯現(xiàn)較小，若不施加支護則可能出現(xiàn)因頂板彎曲下沉過大而出現(xiàn)拉應力顯現(xiàn)。如圖2所示，不同空頂距時掘進迎頭前方均出現(xiàn)了一定范圍的應力降低區(qū)：空頂距為0～3排時，迎頭前后垂直應力分布基本一致，頂板未出現(xiàn)拉應力；空頂距超過4排時，迎頭前方應力降低區(qū)范圍擴大至6 m，且空頂區(qū)域的頂板出現(xiàn)拉應力顯現(xiàn)，表明此時的巷道頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易出現(xiàn)冒落。不同空頂距時迎頭前后頂板的下沉量如圖3所示。

圖3 不同空頂距時迎頭前后頂板下沉量分布

從圖3可以看出，迎頭前后頂板下沉量的變化同樣是在空頂距增大至4排后出現(xiàn)突變：空頂距為0～3排時，迎頭前后下沉量分布基本一致，數(shù)值變化極小；而空頂距超過4排時，空頂區(qū)域出現(xiàn)突變下沉，此時的空頂區(qū)頂板已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著空頂距的增加，不穩(wěn)定性也逐漸增加，具體的巷道破壞情況如圖4所示。

圖4 不同空頂距時迎頭前后巖體塑性區(qū)發(fā)育演化

從圖4中可以看出巷道迎頭附近巖體塑性破壞范圍隨著空頂距的增加而逐漸擴大，但不同階段的變化趨勢不同：空頂距為0～2排時，巷道迎頭附近塑性區(qū)范圍基本不變，說明現(xiàn)有支護強度超過支撐2排空頂距的要求；空頂3排時，頂板塑性區(qū)開始出現(xiàn)增加，但增加范圍極小，頂板仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；而空頂距增加至4排時，塑性區(qū)范圍突然大幅增加，說明此時的空頂距突破了現(xiàn)有支護強度維持穩(wěn)定的極限，開始出現(xiàn)較大范圍破壞。從上述分析可以看出，掘進工作面的空頂距離最大可增至3排而不出現(xiàn)頂板破壞，保障施工安全，超過3排則易出現(xiàn)頂板下沉量大、冒落等安全事故。因此，優(yōu)化后的掘進工作面合理空頂距為3排。

4 其他優(yōu)化措施

4.1 合理平行作業(yè)

幫錨桿滯后頂錨桿4～6排，兩幫先施工3根錨桿，底角錨桿跟在綜掘機后施工。由于約2∕3的錨桿（頂板和兩幫）在綜掘機后施工，每班綜掘機前節(jié)約永久支護時間近3小時，提高生產效率約為37.5%。

4.2 臨時支護工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)戴帽點柱和架棚臨時支護施工環(huán)節(jié)多、支護速度慢，導致空頂時間長易使頂板下沉。為滿足綜掘機快速施工需要，工作面采用ZJCZ×800∕19∕48巷道臨時支護液壓支架進行臨時支護。

5 實施效果分析

5.1 巷道圍巖表面位移

在西輔運大巷進行了工業(yè)性試驗，試驗段長度為100 m，布置觀測點對巷道表面位移觀測以判斷加大空頂距后圍巖的控制效果，如圖5所示。

圖5 表面位移變化

巷道表面變形較小，掘進影響階段頂板下沉量控制在10 mm，兩幫移近量控制在17 mm，加大空頂距之后巷道圍巖變形量均在控制要求范圍內，巷道圍巖保持穩(wěn)定。

5.2 掘進速度提升效果

對掘進參數(shù)進行優(yōu)化后，每班純掘進時間大幅增加，占55%～72%，每循環(huán)掘進進尺增加使得工序之間轉換、準備時間大幅降低，提高了掘進速度，每月進尺由之前的270 m提升至380 m，而且由于合理優(yōu)化作業(yè)工序，降低了工人勞動強度，工作強度降低及工作效率提高也降低了掘進工程的綜合成本。

6 結論

（1）在分析影響掘進速度因素的基礎上，通過數(shù)值模擬優(yōu)化了工作面空頂距，提出采用“三掘一支”放大空頂距，同時優(yōu)化施工工藝，實現(xiàn)平行作業(yè)。

（2）在西輔運大巷進行了工業(yè)性試驗，礦壓監(jiān)測表明巷道圍巖變形在控制要求范圍內，巷道掘進速度由270m∕月提高至380m∕月，掘進速度大幅提升。