大斷面煤巷快速掘進技術(shù)的應(yīng)用

郜陶陶

（山西科興高平科興前和煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

現(xiàn)代化礦井綜采設(shè)備的普遍使用使煤炭生產(chǎn)效率大幅度提高，然而，目前國內(nèi)煤巷的掘進技術(shù)水平要遠遠落后于機械化采煤技術(shù)［1］，煤巷掘進成為制約采掘接替的重要因素。影響煤巷快速掘進的主要因素包括支護工藝復(fù)雜、勞動組織低效、掘進設(shè)備不配套等問題［2-4］。因此，煤巷掘進是支護技術(shù)和掘進工藝的有機結(jié)合［5］，只有通過全面提升這兩方面的施工效率，使其有效配合才能實現(xiàn)煤巷的快速掘進。本文基于常村煤礦生產(chǎn)條件，在支護技術(shù)和掘進工藝兩方面進行優(yōu)化，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進，有效解決了生產(chǎn)接替困難問題。

1 巷道工程概況

常村煤礦共有可采煤層3 層，即2#、10#、11#，2-504 工作面開采上部的2#煤層，厚度4.07 m，該礦2-504 工作面運輸巷設(shè)計斷面19 m2，巷寬5 m，巷高3.8 m。煤層偽頂不發(fā)育，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，中上部夾一層煤線，厚度2～6 m，平均3.8 m，老頂為中粒砂巖，厚度3～10 m，直接底為3 m厚泥巖，老底為中粒砂巖，厚度約2.5 m，煤系地層綜合柱狀見圖1。

圖1 2-504 工作面煤系地層綜合柱狀圖

2 巷道支護方案

通過對現(xiàn)場施工條件進行分析可知：①巷道施工斷面大，支護要求高；②該巷道直接頂發(fā)育穩(wěn)定，不易離層，老頂強度大，支撐力較好；③巷道沿頂掘進，兩幫煤層松軟，裂隙發(fā)育，幫部支護困難。

根據(jù)以上分析，設(shè)計支護方案如下：①頂板支護采用錨網(wǎng)索梯支護，單排施工錨桿6 根，規(guī)格Φ22-M24-2800 mm，施工間排距900 mm×1 000 mm，配合金屬梯形梁支護，錨索單排施工1 根，位于巷道正中，間距3 m，規(guī)格Φ21.8 mm×6 300 mm，錨固層位為老頂中粒砂巖； ②幫部支護采用錨網(wǎng)梯支護，兩幫各施工錨桿4 根，規(guī)格Φ22-M24-2000 mm，施工間排距110 mm×1 000 mm，配合金屬梯形梁支護，其中上部對側(cè)2 根錨桿仰角30°，錨固層位為直接頂板，下部對側(cè)2 根錨桿俯角30°，錨固層位為直接底板，中部對側(cè)4 根錨桿水平施工；③所有錨桿施工預(yù)緊力不小于300 N·m，錨固力不小于120 kN；④通過斷層或頂板破碎帶時，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況補充施工單體錨索，巷道支護見圖2。

圖2 2-504 巷道支護

3 煤巷掘進工藝

3.1 掘錨一體化技術(shù)

實踐證明，采用上述巷道支護方案能夠滿足巷道的支護要求。為進一步提高支護效率，決定采用掘錨一體化技術(shù)。本次采用EBZ220 掘錨一體機進行巷道支護。該設(shè)備是在原掘進機基礎(chǔ)上安裝錨護裝置，在不改變其結(jié)構(gòu)的同時完成掘進、錨護一體化功能。該設(shè)備能夠在掘進過程中進行機械化支護，從而提高支護速度，既實現(xiàn)了前探梁支護和錨桿施工的機械化作業(yè)，降低了勞動強度，同時提高安全性，進而提高掘進效率。EBZ220 掘錨一體機見圖3。

圖3 EBZ220 掘錨一體機作業(yè)

3.2 煤巷快速掘進技術(shù)

掘進工藝對煤巷掘進速度影響顯著。懸臂式綜掘機在掘進作業(yè)過程中，需要司機進行操控，其截割路線和速度往往由工作經(jīng)驗決定。因此，容易出現(xiàn)滾筒重復(fù)走線、超挖或欠挖及巷道成型差等；并可能增加頂幫部擾動次數(shù)，影響空頂區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性，降低掘進效率。因此，可以對綜掘機截割路徑進行優(yōu)化和固化，并確定施工流程，從而提高作業(yè)速度和巷道成型質(zhì)量。

（1）截割路徑設(shè)計

通過對煤體工程力學(xué)及現(xiàn)場實際截割情況進行分析，設(shè)計了基于標(biāo)準(zhǔn)斷面的煤巷S型截割軌跡，以矩形斷面對其進行描述，即從巷道左下側(cè)開始按照滾筒直徑對斷面煤體自下而上進行往復(fù)截割，呈現(xiàn)連續(xù)的S型；整體巷道斷面施工完成后，在巷道兩側(cè)分別從上至下進行幫部修整，從而完成巷道整體掘進作業(yè)，截割及修整路徑見圖4。

圖4 S 型截割路徑

（2）施工流程

綜掘機S型截割工藝施工流程為： ①清理作業(yè)場地：巷道施工前，利用綜掘機鏟板清掃正頭浮煤（巖），若底板存在煤（巖）體凸起，開啟截割頭進行平整作業(yè)，清理施工場所；②縱向進刀：調(diào)整綜掘機位置，在正頭左下角進刀，滾筒全部進入煤體后停刀，同時利用鏟板運煤；③橫向進刀：滾筒沿煤層底板自左至右截割，進行橫向進刀；④往復(fù)截割：當(dāng)滾筒截割至右側(cè)時，上抬一定高度，進行往復(fù)截割，上抬高度由煤體截割情況進行確定，同時保證割下的煤塊大小適中；⑤以施工中線為基準(zhǔn)，對巷道兩幫進行修整，同時清理煤炭，進行下一次循環(huán)。

3.3 掘進作業(yè)工序優(yōu)化

2-504 運輸巷沿頂板掘進，原掘進方式為EBZ220 型綜掘機一次成型，人工施工錨桿和臨時支護，作業(yè)流程見圖5。

圖5 2-504 運輸巷原作業(yè)流程

為提高掘進效率，確保掘進速度，減輕勞動強度，決定對原掘進和支護工藝進行優(yōu)化。即EBZ220型掘錨一體機施工，采用S型往復(fù)截割和機械化臨時支護、錨桿施工，工序如下：小循環(huán)施工6 根頂板錨桿，同時將兩幫錨桿施工完畢；中循環(huán)補齊肩角和底角；大循環(huán)施工頂板中部的錨索，加強頂板支護。具體流程如下：①現(xiàn)場交接：對設(shè)備和工作環(huán)境進行檢查；②掘進：單個小循環(huán)為2 m；③施工臨時支護：人工鋪設(shè)兩幫和頂板金屬網(wǎng)，架設(shè)前探梁；④施工第一排錨桿孔，頂、幫部錨桿孔分別按照由中部向兩側(cè)和由上至下的順序施工，旋入并固定錨桿；⑤第二排錨桿孔施工，旋入并固定錨桿；⑥重復(fù)上述小循環(huán)至工班結(jié)束。根據(jù)上述工序，每班可完成3 個小循環(huán)，具體工序及施工時間見表1。

表1 小循環(huán)施工工序

4 效果分析

圖6 巷道變形觀測結(jié)果

4.1 支護效果分析

為驗證支護效果，需要對巷道變形量進行觀測。本次在2-504 運輸巷布置測點，采用十字布點法利用激光測距儀對表面位移進行觀測，觀測周期為30 天，每天觀測一次，并將巷道變形情況繪制成曲線，見圖6。由曲線圖可知，在30 天的觀測期內(nèi)頂?shù)装彘g的最大移進量75 mm； 在8～10 天趨于穩(wěn)定，巷道左右?guī)偷囊七M量為100 mm；在15 天左右趨于穩(wěn)定。通過巷道變形量分析可知，在巷道頂板采用錨網(wǎng)索梯支護、兩幫采用錨網(wǎng)梯支護后，巷道變形較小，趨于穩(wěn)定的時間較短，能夠滿足巷道支護要求。

4.2 掘進效率分析

2-504 運輸巷在原掘進工藝情況下，采用“三八”制，每天完成10 個循環(huán)，單循環(huán)進尺0.8～1.0 m，每天掘進8～10 m；在對施工工藝進行優(yōu)化后，每班可完成3 個小循環(huán)，每個小循環(huán)進尺2 m，單班進尺6 m，每天可掘進18 m。由此可見，在對掘進和支護工藝進行優(yōu)化后，巷道掘進效率提升超過一倍。

5 結(jié)語

1）運輸巷頂板支護采用錨網(wǎng)索梯支護，兩幫采用錨網(wǎng)梯支護，在遇到構(gòu)造或頂板破碎區(qū)域補充施工單體錨索。對巷道變形量進行檢測可知，采用該方案后頂?shù)装遄畲笠七M量為75 mm，兩幫最大移進量為100 mm，巷道變形較小，能夠滿足支護要求。

2）采用掘錨一體化技術(shù)，并對綜掘機截割路徑進行固化，優(yōu)化施工流程，巷道掘進效率提升一倍。

3）掘錨一體化施工能夠降低施工成本，加快施工速度，減少工人勞動強度，可有效提高掘進速度，同時保證施工安全。該技術(shù)可在相似地質(zhì)條件的工作面進行推廣。