三交河煤礦大采高工作面回采巷道快速掘進成巷技術研究

劉俊杰

(山西安煤礦業設計工程有限公司,太原 030006)

1 工程概況

霍州煤電三交河煤礦2-502工作面,主采2#煤層,煤層平均厚度4.2 m,平均傾角為2°～16°,存在一層厚度為0.1 m～1 m不等的夾矸,煤層直接頂為砂質泥巖,均厚為4 m,基本頂為中砂巖,均厚為6.5 m,直接底為泥巖,厚度為3 m,老底為中砂巖,厚度為2.5 m,具體煤層頂底板巖層特性如圖1所示,工作面采用大采高的采煤方法,采高為4 m,工作面地質條件較為復雜,頂板存在較多的破碎區域。

2 巷道圍巖控制方案及效果

2.1 圍巖支護方案

根據2-502工作面運輸順槽地質賦存條件可知,巷道具有以下特點:1)頂板巖層強度較高,不易出現離層,但頂板鉆孔施工困難;2)巷道兩幫為煤體,2#煤煤質松軟,節理、裂隙較為發育,兩幫控制較為困難;3)巷道斷面較大,對控制要求較高。通過對2-502工作面運輸順槽地質條件的分析并結合相關研究,來對巷道現有支護參數進行優化,確定巷道斷面為矩形,高為5.0 m,寬為3.8 m。具體支護參數如下:巷道正常段頂板采用規格為Φ22-M24-2 800 mm的高性能錨桿與金屬網及鋼筋梯子梁進行配合支護,錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,頂板錨桿打設6根,頂板錨索規格為Φ21.8 mm×6 300 mm,間距為10 m,每排在巷道中部打設一根;巷道兩幫采用規格為Φ22-M24-2 000 mm的高性能錨桿與金屬網及鋼筋梯子梁進行配合支護,巷道斷面內每幫錨桿為4根,錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm,同時頂板及兩幫錨桿安裝預緊力矩均應大于300 N·m,錨固力需大于120 kN,具體巷道支護參數如圖2所示;在2-502工作面運輸順槽正常段錨桿的布置方式可根據現場實際情況調整為一排6根、一排5根的間隔布置方式。對于出現頂板破碎、斷層等特殊地質構造段,通過在正常段支護參數的基礎上補打單體錨索進行加強支護,根據現場實際情況確定具體支護參數。

圖1 2#煤層頂底板巖層柱狀圖Fig.1 Strata histogram of roof and floor strata of No.2 coal seam

圖2 2-502運輸順槽支護斷面圖Fig.2 Supporting cross-section diagram of 2-502 gateway

2.2 圍巖控制效果

在為對巷道現有支護效果進行驗證,在2-502工作面運輸順槽斷面內設置測點,通過十字布點法觀測巷道表面位移情況,通過激光測距儀計算處兩幫及頂底板的移近量及速度,在測點布置好后每1 d進行一次觀測,持續進行30 d的觀測,將所得數據繪制成曲線如圖3所示,從圖3中能夠看出,在運輸順槽掘進期間頂底板穩定移近量為79 mm,兩幫最大移近量105 mm,根據上述數據可知現有正常段的支護方式能夠保證巷道掘進期間的穩定。

圖3 巷道圍巖變形曲線圖Fig.3 Deformation curve of surrounding rocks

3 快速掘進工藝系統

3.1 掘進速度與支護相關性

巷道的掘進速度受到眾多因素的影響,其中科學合理的支護參數能夠有效提高巷道的掘進速度,合理的支護參數即為在保證支護安全的前提下,通過有效降低錨桿的支護密度,從而能夠減小巷道掘進過程中錨桿施工所占用的時間,在巷道的掘進過程中,通過對巷道圍巖的變形情況,錨桿、錨索的受力情況及頂板的離層情況進行有效監測,可有效判斷出支護參數的合理性,當監測到的圍巖變形量較大時,可根據圍巖變形特征有針對性的采取有效的措施對支護參數進行調整優化,從而盡量避免巷道的二次支護,進而提高巷道掘進速度[1-2]。

根據上述巷道優化后的支護參數,并結合巷道圍巖變形量及其余的礦壓監測數據可知,巷道在該種支護方式下圍巖變形量較小,錨桿及錨索受力狀態正常,無頂板離層的現象出現,故據此可知該種支護方案能夠保障巷道圍巖的穩定。

為有效減少巷道掘進支護的時間,確定采用掘錨一體的掘進機,機械的型號為EBZ220,該種機械是在掘進機的截割部上裝有錨護裝置,能夠在在不改變原有掘進機結構的基礎上,使得掘進機能夠成為掘進和錨護多功能一體的機械,采用該機械能夠將巷道掘進時支護的主要工藝基本實現機械化,能有效提高支護效率,能夠采用機械替代原有人工前串梁臨時支護及人工安裝錨桿的作業,能有效的保障施工安全,提高支護效率,進而整體提高巷道的掘進速度[3-4],具體EBZ220型掘錨一體機截割部的整改如圖4所示。

圖4 EBZ220型掘錨一體機截割部示意圖Fig.4 Cutting unit of EBZ220 excavation and anchoring machine

3.2 巷道快速掘進研究

通過改善掘進工藝能夠有效提高掘進速度。在使用懸臂式掘進機進行巷道掘進作業時,在巷道掘進時需要司機手動操作,截割速度及路線均根據經驗進行,極易產生截割頭行走軌跡重復、巷道挖掘過度或不足、斷面成型質量差等問題,并且切割軌跡會對圍巖的擾動次數、掘進作業效率以及空頂區的頂板穩定性均有較大的影響,因為懸臂式掘進機懸臂在水平擺動時為一個圓柱面,故掘進頭上截齒運動軌跡變為與之相切的擺線,同理,懸臂在垂直面上也為一個圓柱面,基于此，可將截割頭的運動簡化為繞懸臂軸線轉動與水平平動的復合運動,另外考慮到截割頭直徑遠遠小于懸臂長度,視截割頭運動所形成的包絡線即為巷道斷面的輪廓線[5]。

現根據上述分析提出一種標準斷面的截割路線,以梯形巷道為例對施工工藝順序進行描述,掘進機在對煤(巖)體進行截割時,以S型軌跡進行作業,巷道斷面的成型階段以及修整階段的截割軌跡如圖5所示。

圖5 S型截割軌跡示意圖Fig.5 S-shapted cutting trajectory

S型截割工藝的具體操作如下:1)清掃場地:啟動綜掘機后收回截割頭,將鏟板放至巷道底板,移動綜掘機到工作面位置,使用截割頭對掘進頭及兩幫浮煤進行清掃;2)截割煤柱:在運用截割頭進刀作業時,待截割頭完全切入煤壁后停止進刀,并運用鏟板進行運煤作業;3)橫向掏槽:截割頭深入煤壁后,將其貼近底板向右移動,進行橫向掏槽作業;4)迂回截槽:當截割頭到達右幫后,將其上升一定距離后,迂回切割,同時根據煤巖體的軟弱強度確定截割的跨距大小,并以巖塊小及機器不過載為原則。再以巷道中線為基準線,將巷道兩幫及頂底板進行一次完整的清理,清理完畢后在進行第二次的循環切割。

2-502工作面運輸順槽原有掘進工藝采用一次成巷施工,沿著2#煤層底板掘進,采用EBZ220型掘進機進行掘進,人工進行錨桿支護、臨時支護的操作作業,具體工藝流程如圖6所示。

圖6 2-502運輸順槽原有工藝流程圖Fig.6 Original process flow diagram of 2-502 gateway

根據三交河煤礦2-502工作面的地質情況、設備及施工組織管理等因素,同時確保該巷每個月400 m～500 m的掘進速度,現決定采用改進的EBZ220型掘護錨一體機進行S型截割、錨桿施工及臨時支護,提高工作效率,減小工人的勞動時間、提高工作效率。新型掘進機掘進作業時各工序如下所示:小循環中將頂板6根錨桿一次施工完畢;同時對兩幫及底角的錨桿進行施工,中循環中將兩幫肩角及底角錨桿進行補齊;大循環中對巷道補打單體錨索對巷道頂板進行加強支護。具體掘進施工單個循環施工工藝如下所述:1)交接班：進行安全檢查,預計約20 min;2)割煤:以2 m為一個循環進尺,預計約50 min;3)掛網：人工掛幫網,將頂網、梁置于臨時支護上,預計約5 min;4)臨時支護：預計約5min;5)打設第一排頂、幫鉆孔,按照先上后下進行幫部鉆孔施工,先中間后兩幫進行頂部錨桿鉆孔施工;6)安裝錨桿：幫部錨桿3 min/根,頂部錨桿5 min/根,鉆孔及安裝共耗時約45 min;7)重復第一排錨桿安裝工作,同時進行錨桿鉆孔及安裝錨桿工作,預計耗時約45 min;8)截割出煤后,直至小班結束,一共能進行三個小循環。

根據改進后的巷道掘進工藝,能夠計算出每個循環時間耗時150 min,第一循環前交接任務耗時30 min,具體單個循環工序時間如表1所示。

表1 單循環工序時間表Table 1 Uni-cyclic working process schedule

3.3 應用效果分析

通過對掘進設備進行升級、對掘進工藝系統進行優化后大大提高了掘進速度。巷道在采用原有施工工藝時,采用“三八”制組織生產,每天能進行10個循環,循環進尺長度為0.8 m～1.0 m,一天共進尺長度為8 m～10 m;在改進掘進設備及對掘進工藝優化后,每天能進行9個小循環,小循環進尺長度為2 m,一天共能進尺18 m,更換掘進機及優化掘進工藝后進尺掘進速度增幅達100 %。

4 結束語

針對霍州煤電三交河煤礦2-502工作面運輸順槽的地質情況具體分析后,提出優化后的支護參數,應用優化后的支護參數后巷道圍巖變形量較小,保障了巷道掘進時空頂區頂板的穩定;另外通過對現有掘進設備的升級及掘進工藝的優化后,大幅度提高了掘進速度,進尺相對于原有工藝的增幅達100 %以上。