大斷面全巖巷道施工工藝設計

王富強

(中煤科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

某礦掘進巷道位于輔運大巷，總工程量為740 m，施工段上部圍巖巖性以細沙巖為主，鈣質膠結，硬度f8～f9，為全巖斷面，頂部巖石較薄，應及時支護，防止巖石與煤之間粘結較差發(fā)生冒頂事故。該礦屬低瓦斯礦井，瓦斯分帶屬二氧化碳-氮氣帶，煤塵具有爆炸性危險，煤極易燃，地溫正常。巷道掘進區(qū)間屬基巖承壓含水層，富水性較弱，巖(煤)層的局部地段中含少量裂隙水，水量對掘進巷道不大，一般涌水量不超過15 m3/h。掘進期間掌子頭設置排水量不小于15 m3/h的排水設施。施工巷道為拱形巷道，下部矩形斷面寬5 400 mm，高2 750 mm，上部拱形半徑1 400 mm，巷道總高4 150 mm，截面積20.28 m2。調車硐室斷面與其相同，共5個調車硐室。

1 巷道布置設計

根據該巷道基本情況，巷道采用全巖巷方式掘進，起始段為負坡掘進，起始標高為980，坡度為-6.5°，掘進距離為39.5 m，標高為975.5；再以10‰的負坡掘進35 m，標高為975.15；向前平掘8 m掘主水倉1#水倉；繼續(xù)向前平掘15.5 m，開始掘進2#水倉，1#、2#主水倉以2‰的正坡各掘進130.67 m，標高為975.4；2#主水倉平掘，與1#主水倉貫通后，再掘進1.8 m,開始以2‰的坡度正坡掘進48.5 m。副水倉起始標高為980，負坡6.5°,掘進39.6 m處開始掘進1#副水倉；水平掘進18.5 m開始掘進2#副水倉；1#、2#副水倉以3.7‰的坡度正坡掘進89.734 m，從2#副水倉以3‰的正坡掘進,與1#副水倉貫通后再掘進10.3 m完工。調車硐室開始按設計圖進行掘進,但角度根據掘進機轉彎性能確定。

2 掘進設備配置及掘進工藝

2.1 掘進設備配置

巷道采用1臺大斷面重型巖巷掘進機掘進,2臺防爆膠輪車運輸的方式進行施工，掘進、支護交替施工。用1臺防爆裝載機完成材料及小型設備的運送、搬移以及巷道浮矸的清理工作,用錨桿機來完成巷道的錨桿支護工作。

2.2 掘進工藝

1) 落巖。用重型掘進機落巖，在激光儀的指導下確定掘進機進刀位置，進刀位置為巷道左下角按設計要求巖底位置，進刀量為0.8 m。再橫向移動截割頭到巷道另一側設計寬度位置，垂直升截割頭達到一次吃刀量0.6 m后左移截割頭到巷道最左邊設計寬度位置，垂直升截割頭達到一次吃刀量，右移截割頭。如此反復，成蛇形截割，達到設計矩形高度后，開始掘進弧形巷道，最后進行巷道修整達到設計要求尺寸。要求矩形巷道兩幫垂直，弧形巷道圓弧過渡平緩。進刀量和吃刀量作為參考，實際掘進根據巖石硬度和截割頭尺寸掌握。

2) 裝矸。掘進機采用自動裝巖方式，掘進機裝有裝載機構和運輸機。掘進機截割時，矸石落入裝載機構，耙爪連續(xù)運轉，運輸機將割落的矸石轉運到等候在后面的防爆車內。

3) 運矸石。裝車時設專人指揮，指揮人員與司機必須配合好，車輛抵達裝車地點前必須提前減速，車停穩(wěn)后方可開始指揮裝車。司機開車前，必須給指揮人員信號，確認四周無人后方可開車。司機必須按指定路線將矸石運抵指定排矸場。

4) 浮矸清理。巷道中的大塊及較多的浮矸由裝載機清理，剩余少量矸石由人工清理。人工清浮矸時，必須在掘進機、防爆車停止作業(yè)時進行。

5) 施工放線。掘進時，工作面每推進50 m由地測站在巷道內標定兩組中線一組腰線，中線距左幫2.7 m，中線激光據頂板0.3 m，腰線距底板2.8 m，一組腰線激光距左幫0.2 m，另一組腰線激光距右?guī)?.2 m，以確保三盤區(qū)1-2煤輔運上山的掘進質量。每掘進50 m由地測站對所放中線、腰線校核一次。

3 支護參數設計及支護工藝編制

掘進工作面斷面為拱形，無異常礦壓，根據掘進層柱狀資料分析，巷道頂板變化較小，主要為5-2煤層及0.3 m的巖石，屬于較穩(wěn)定頂板，適合錨網支護。根據已掘巷道的支護經驗，初步確定本巷道及其調車硐室均采用“樹脂錨桿+網片”聯合支護的方式[1-4]。

3.1 支護參數設計

該巷道屬于合性頂板，要求永久支護必須到位，方可掘進下一循環(huán)，最大空頂距為6.5 m，最小空頂距為1.5 m,循環(huán)進度為6 m。

3.1.1 錨桿長度

頂錨桿通過懸吊作用，達到支護效果的條件，錨桿長度應滿足:

L>L1+L2+L3

(1)

式中：L為錨桿長度，mm；L1為錨桿外露長度,L1=鋼帶厚度+托盤厚度+螺母厚度+10 mm～50 mm，此處取50 mm；L2為錨桿有效長度,頂錨桿取免壓拱高b，mm；L3為錨桿錨固長度，取400 mm。

普氏免壓拱高為：

b=[B/2+Htan(45°-w/2)]/fd

(2)

式中：B為掘進巷道的寬度，B=(5 400+200)mm=5 600 mm；H為掘進巷道的寬度和高度，H=(4 150+200)mm=4 350 mm；fd為頂板巖石普氏系數，取2；w為兩幫巖石的內摩擦角，取108.18°。

由式(2)可得：L2=b=[5 600/2+4 350×tan(45°-108.08°/2)]/2=1 052.6 mm

因此,錨桿長度L>50+1 052.6+400=1 502.6 mm

根據頂板實際情況及已掘巷道支護經驗,錨桿長度取1 800 mm。

3.1.2 錨桿排距

a≤Q/kγL2/2

(3)

式中：a為錨桿排距；Q為錨桿錨固力，取49 kN；k為安全系數，取1.5；γ為巖體容重，取16.7 kN/m3。

經計算,a≤1.22 m,取a=1.1 m。

3.1.3 每排錨桿根數

N1=K·Qr·Dr/Pr

(4)

式中：N1為每排錨桿根數；Dr為錨桿排距；Pr為錨桿抗拔力,取49 kN;K為安全系數，根據頂板巖性取2.5；Qr為頂板載荷集度，取66.7 kN/m。

經計算可知，N1=4.17根，根據現場及掛網要求，取7根。

采用一次性緊固錨桿支護，其中錨桿布置為矩形，排距1.2 m。錨桿選用φ18×2 100 mm圓鋼一次性緊固錨桿，托盤選用150×150×10 mm的鋼板，鋼號Q235，采用CK型φ23×500 mm樹脂作為錨固劑，每孔1卷，鉆桿規(guī)格選用φ23×2 200 mm。網片規(guī)格選用φ6.5鋼筋網，網孔150 mm×150 mm,網片尺寸1 400 mm×3 700 mm。

3.2 支護工藝

掘進機每掘完一個循環(huán)，掘進機停止作業(yè)，進行支護。支護的工藝流程：敲幫問頂—掛網—定位—鉆孔—清孔—安裝錨桿。人員在掘進機上站穩(wěn)扶好，防止支護作業(yè)過程中從掘進機上掉落。掘進機移動前，所有人員必須站到安全位置，防止掘進機行走移動過程中造成人員傷害。支護過程中要做到開機開水、停機停水，盡可能減少用水量。

1) 首先使用專用工具進行敲幫問頂，一人監(jiān)護，一人操作，將頂板及兩幫上浮矸處理干凈。

2) 放置網片。將網片放置在將要支護的位置上，用鐵絲連接牢固。

3) 定位。依據激光中心線和錨桿間距，先定排位，確定錨桿的布置位置預先標好，再以間距定出孔位。

4) 鉆眼。將錨桿機調整在巷道的正中間位置，操作進給閥使鉆頭剛好頂在打眼的位置上，然后輕輕動作給進閥桿，使鉆頭能頂到頂板并頂個小窩，接著操作快速進給閥，鉆眼深達2 100 mm時，退出鉆桿。

5) 安裝錨桿。錨桿機司機先給眼孔內裝入藥卷，用已經上好托板和螺母的錨桿將樹脂藥卷頂入眼內，將專用攪拌桿安在鉆箱上，然后將錨桿的尾部套在攪拌桿上，慢慢升起鉆臂將錨桿同藥卷送入孔底，并捅破藥卷攪拌，托盤與頂板間應留5 mm左右間隙，旋轉攪拌器及錨桿但不進給，攪拌10～15 s，停止旋轉將鉆臂升起使托盤與頂板緊密接觸，等待30～40 s，只旋轉不推進直至螺母剪斷錨桿銷并達到要求的扭矩。錨桿扭矩達到100 Nm，錨固力不小于5 t，錨桿外露長度小于50 mm，錨桿安裝結束。緊固螺母用錨桿機緊固，對不緊錨桿要求二次人工緊固，即用專用緊固錨桿的扳手將錨桿緊固，達到設計扭矩值100 Nm。緊固過程中出現失效錨桿必須及時補打。

4 運輸系統(tǒng)設計

主運輸系統(tǒng):

掘進巷道掘進機出矸石→防爆車→5-2煤輔運大巷→1號輔運通道→暗斜井→地面排矸場。

輔助運輸系統(tǒng)(運料、行人):

地面→暗斜井→1號輔運通道→5-2煤輔運大巷→工作面。

5 通風系統(tǒng)設計

5.1 工作面通風方式的選擇

通風方式選擇局部壓入式通風。局扇安裝在5-2煤輔運大巷與井底中央水倉聯巷的入口處，通過φ1 000 mm膠質抗靜電阻燃風筒將風流送入工作面。

進風路線：地面新鮮風流副斜井→1號輔運通道→5-2煤輔運大巷→局扇→風筒→掘進工作面。

回風路線：中央水倉工作面(污風)→5-2煤回風大巷→武當溝回風井。

5.2 供風量計算

5.2.1 按瓦斯涌出量計算

Qj1=100·qw·K

(5)

式中：Qj1為所需風量，m3/min；qw為瓦斯絕對涌出量，m3/min；K為瓦斯涌出不均衡系數，取1.5。

經計算，Qj1=44.85 m3/min。

5.2.2 按CO2涌出量計算

Qj2=67qj·Kjt

(6)

式中：Qj2為掘進工作面需要風量，m3/min；qj為掘進工作面回風流中CO2絕對涌出量，取0.882 m3/min；(礦通風隊預測)Kjt為二氧化碳涌出不均衡通風系數，根據通風科提供的數據，取1.5。

經計算，Qj2=88.64 m3/min。

5.2.3 按掘進工作面最多人數計算

Qj3=4NK

(7)

式中：Qj3為所需風量，m3/min；K為風量備用系數，取1.2；N為工作面最多人數，取44人。

經計算，Qj3=211.2 m3/min。

綜上計算，掘進工作面所需風量取Q≥Qj3=211.2 m3/min。

5.2.4 按風速驗算

按最低風速驗算：

QL=v1·S

(8)

式中：v1為巖巷允許最低風速，0.15 m/s；S為巷道斷面面積，m2。

經計算，Q1=182.8 m3/min。

按最高風速驗算：

QH=v2·S

(9)

式中：v2為允許最高風速，4 m/s。

經計算，QH=4 864.2 m3/min。

5.2.5 防爆膠輪車需要風量

柴油車根據歐Ⅱ標準CO排放量為1 g/kg,入井膠輪車速度按最高允許速度30 km/h，計算每分鐘CO排放量為：QCO=0.5 g/min,

換算為體積：QCO=0.000 43 m3/min。

將濃度稀釋到0.002 4%，需風量為：QC=17.92 m3/min

QC取20 m3/min，則可將普通膠輪車的CO排放量稀釋到21.5×10-6，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

根據實際測得特種柴油膠輪車CO排放量最大為普通柴油車的3倍，故特種車輛配風量QTC為60 m3/min。工作面一般配備6臺特種柴油車。

QTC=6×60 m3/min=360 m3/min

因為QTC>QL，所以確定掘進所需風量為360 m3/min。

5.3 風機、風筒的選擇及設置

5.3.1 風機的工作風量QF

QF=ψ·QM

(10)

式中：QM為掘進工作面需要風量，m3/min；ψ為風筒漏風備用系數。

ψ= 1/(1-nLi/10)

(11)

式中：n為風筒接頭數，按通風最長距離40 m；Li為1個接頭的漏風率，插接時取0.01～0.02，羅圈反邊連接時取0.005。

由公式(10)、(11)計算得，ψ=1.02,QF=367.2 m3/min。

5.3.2 風機的工作風壓hF

hF=R100·QF·QM

(12)

式中：hF為局部通風機工作全壓，Pa；R100為局部通風機全壓工作百米風阻，取20 NS2/m8。

經計算，hF=734.4 Pa。

考慮到該巷道掘進距離較長等原因，選用2BKJ系列NO6.3功率2×30 kW軸流對旋式局扇，額定風量在630～260 m3/min ，考慮到供風大，風筒使用φ1 000 mm膠質、抗靜電、阻燃風筒,使用雙風機雙電源自動切換。所選風機及風筒參數如表1所示。

5.3.3 風筒設置位置

按最小巷道斷面計算風筒出口到掘進工作面掌子頭的最大距離Lp[5-8]

Lp=(4～5)·S/2

(13)

式中：S為巷道截面積，S=20.28 m2。

經計算，Lp=19.26～23.86 m,此處取Lp=20 m。

6 供電系統(tǒng)設計

6.1 電纜鋪設

從地面高壓柜取電，經過280 m電纜(型號為MYPJT3×35+1×25)到井下移變，再經過1 000 m

表1 風機及風筒技術參數

電纜(型號為MYP 3×35+1×25)到達工作面，給掘進機供電，供排水、激光、液壓錨桿鉆機用電。由來自地面風機專用移變的饋電開關經250 m電纜(型號為MYP3×25+1×10)給局部通風機供電。

6.2 電氣設備配備

根據工作面所用設備的功率及沿線的排水負荷確定整個系統(tǒng)的總負荷約為623 kW，其中：工作面負荷為515 kW(掘進機515 kW),其他負荷功率108 kW(2×30 kW風機、液壓錨桿機11 kW、水泵37 kW)，電氣設備配備如表2所示。

表2 電氣設備配備

7 結論

隨著煤礦開采的飛速發(fā)展，大斷面全巖巷道的掘進日益增多，巷道布置、掘進工藝、支護工藝、運輸系統(tǒng)設計、通風系統(tǒng)設計及供電系統(tǒng)設計是巷道掘進前必須完成的工作。如何根據巷道地質條件及施工工藝設計出合理的掘進實施方案不僅需要理論計算，更需要通過大量的實踐作業(yè)進行經驗總結與驗證。本文基于煤礦設計相關理論基礎上，結合以往大量實踐經驗，提出大斷面全巖巷道施工工藝設計方法，對相關煤礦全巖巷道施工工藝設計具有重要的參考價值。

同時本次提出的施工工藝還有一些尚需繼續(xù)研究和完善的地方：

1) 需對全巖巷道施工安全方面的設計及相關安全管理制度進行深入研究和系統(tǒng)性收集與總結。這點對于存在瓦斯突出及透水危險的全巖巷道尤為重要，如何在確保安全的前提下對此類巷道掘進值得深入研究。

2) 全巖巷道與煤巖及半煤巖巷道不同，其開采對象為矸石，如何在保證待掘巷道滿足功能要求的前提下，減少掘進量是提高工作效率和經濟效益的有效方法，值得后續(xù)深入研究。

3) 全巖巷道與煤巖及半煤巖巷道產塵組分和產塵量是大為不同的，巖巷會產生大量粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵，可深入人體肺泡，對人體產生永久性傷害，而這部分粉塵由于粒徑較小，在巷道中滯空時間長，往往容易被人們忽視，如何把除塵、降塵工作有效融入全巖巷掘進施工工藝仍需深入研究。

4) 以往對掘進效率的提高往往重在對單臺設備性能及效率的提高，而忽略了合理設計巷道掘進施工工藝及人員合理布置。后續(xù)仍需對實際全巖巷道作業(yè)流程進行實地測算，確定每個作業(yè)工序所需的時間，通過繪制甘特圖，分析研究合理的作業(yè)步驟，提高掘進效率。