潞安煤礦綜合機械化快速掘進技術實踐

周 波

（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046000）

1 工程背景

潞安煤礦S工作面位于-500水平東二采區，所采12#煤層平均厚度4.05m，平均抗壓強度14.6MPa，煤體較松軟，節理裂隙比較發育，支護難度較大。煤層上為0.2～0.6m厚炭質泥巖偽頂，層理及微裂隙十分發育，煤層直接底為0.8～1.2m灰黑炭質泥巖，直接影響掘進速度和安全生產[1]。

S工作面運輸、回風巷高3.0m，寬4.75m，為直墻半圓拱形，錨網索支護。

圖1 潞安煤礦S工作面巷道布置圖

2 影響綜掘速度的因素

（1）掘進、支護設備。掘進、支護設備的選擇，直接影響掘進循環時間長短，潞安煤礦現采用舊式掘進機的煤巷存在進退頻繁、機底下陷問題，直接影響綜掘效率；支護所用錨桿鉆機需要人工進行頻繁移動，進一步限制了進尺水平提升，掘進機的開機率也受到嚴重影響。

（2）支護工序。經測算，支護工序、割煤工序、運輸工序所占總時間分別為50%～60%、20%～30%、10%～15%，可見支護工序占用時間最長。

（3）施工工藝。懸臂式掘進機配合單體錨桿鉆機、后配裝載機和膠帶輸送機的綜合機械化掘進屬于潞安煤礦應用最為廣泛的掘進工藝，該工藝施工流程可以描述為：“綜掘機割煤→出煤→掘進機后撤→單體錨桿機人工移至工作面→連接風水管路→啟動→錨桿機鉆孔→安裝→工作結束→推出錨桿機→進入新工作面→循環作業”，長期實踐中發現，該掘進工藝在短掘短支、一掘一支循環作業時比較高效。

3 綜掘快速掘進研究

3.1 數值模擬

為尋找合理的循環進度和支護方式，利用三維有限差分軟件FLAC3D開展快速掘進技術應用的數值模擬，建立S工作面模型的長、寬、高為300m×60m×115m，采用半圓拱型斷面，模型取一半以保證對稱性。

3.1.1 不同掘進進尺掘進頭應力場分布

模擬0.8m、1.6m、2.4m、3.2m四個掘進進尺方案時的不同應力分布。可以得出掘進尺寸3.2m時，掘進頭頂板顯著應力集中，這種端頭效應帶來的影響顯然對巷道掘進不利；1.6～2.4m時應力集中程度、擾動影響范圍對安全快速掘進影響不大；0.8m、1.6m、2.4m、3.2m時均存在掘進頭前方煤體及頂底板應力增大區。

考慮到S工作面實際，出于安全考量，確定一般條件下采用1.6m的掘進進尺，如頂板條件較為優越則采用2.4m掘進進尺。因此，確定每天進尺為 14.4～21.6m[2]。

3.1.2 不同支護方式掘進頭應力場分布

不同支護方案模擬結果如下：

（1）僅有錨桿支護時。掘進頭附近應力集中明顯，頂底板圍巖塑性區及拉伸破壞區發育范圍較大，錨桿主要承受剪切和徑向拉伸力，雖圍巖未發生強度破壞，但“弱化高度”明顯加大，不利于快速掘進。

（2）錨桿與錨索耦合支護時。巷道頂板6～8m范圍內形成了耦合承載區，掘進頭附近應力集中明顯，錨索發揮了懸吊作用、多排錨桿錨索共同作用產生了連續支持點，錨桿與錨索耦合支護減緩了頂板下沉。錨桿與錨索耦合支護，其作用主要體現在減少巷道底板塑性區發育范圍，通過降低底板鼓起量，可有效防治煤巷快速掘進底鼓。

最終確定S工作面選擇錨桿與錨索耦合支護方式，必要時候遵循“降低速度，確保安全”原則，如煤層變薄帶、斷層，同時還需要補打底角錨桿。

3.2 技術措施

3.2.1 掘進與支護設備的選擇

S工作面煤巷掘進選擇了MRH-S150型綜掘機，該型號綜掘機具備切割能力強、圍巖條件適應性強的特點；錨桿鉆孔設備選擇了MQT-85J2型齒輪風動式錨桿鉆機，該型號錨桿鉆機能夠大幅提升支護速度。

3.2.2 支護工序

（1）錨桿錨索耦合支護。可以結合圍巖特征靈活掌握支護密度，必要時采用后路補打錨索強化支護方式并配合合理增大錨桿間排距措施。

（2）調整錨孔裝藥量、樹脂錨固劑膠凝時間。結合數值模擬，將Z2835型樹脂藥卷由原來的兩支優化為一支，將樹脂錨固劑膠凝時間由原來的1min縮短為 20～30s。

（3）支護順序。打兩幫錨桿，可滯后頂板錨桿一排，錨索滯后迎頭15m安裝[3]。

3.2.3 輔助運輸系統改造

考慮到同類巷道常出現破頂底掘進、局部地段產生大量矸石情況，在S工作面巷道輔助運輸系統開展了針對性改造，將原有的刮板輸送機更新為改裝過的SDP-650型膠帶輸送機，實現了上帶運煤、下帶運送部分材料功能。

3.2.4 優化配置“掘、支、運”

（1）“掘、支”聯合。考慮到傳統錨桿支護施工工序過于繁雜，可采用機載錨桿鉆機開展施工，改變錨桿鉆孔安裝與掘進機掘進不平衡現象，提升成巷速度、縮短錨桿有效作業時間。

（2）縮短輔助工序。為進一步提升綜合機械化快速掘進技術應用效果，采用了部分工序平行作業措施，如通風、鋪設軌道、交接班、延長管線等工序。

4 結論

潞安煤礦S工作面綜合機械化快速掘進技術的應用，有效克服了高地應力、大斷面、偽頂等不利因素影響，取得月進尺460m的好成績，這一成績的取得與合理掘進循環進度、支護工序改進、輔助運輸連續化的優化配置、高質量配合存在直接聯系，具備一定的借鑒價值。