大斷面煤巷快速掘進施工優化

侯俊杰

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

我國煤礦開采絕大多數屬于地下開采，由于工作面的環境特殊且巷道條件復雜，使得工作面的掘進和回采面臨著巨大的挑戰。雖然我國已經加大了對工作面綜采和綜掘技術及裝備的投入力度，但是掘進中依然存在回采和掘進效率失調問題，進而在整體上制約著煤礦的生產效率[1]。此外，隨著各種大型生產設備在工作面的投入使用，巷道掘進的工作量也隨之增加，相應的支護及維護難度也在不斷加大。本文著重對大斷面煤巷的快速掘進工藝進行優化，并對優化效果進行現場試驗。

1 工程概況

本文所研究的利民煤礦為南北走向，煤礦儲量可達111.86 Mt，目前該煤礦的生產能力為1.5 Mt/年。對利民煤礦的11603工作面開展具體研究，經探測可知，11603工作面煤層的厚度為3.3~8.7 m，平均煤層厚度為7.2 m，煤層傾角范圍為3°~12°，平均傾角為6°；11603工作面的正常涌水量為5.2 m3/h，最大涌水量為95 m3/h；11603工作面瓦斯的相對涌出量為1.98 m3/t。11603工作面頂底板情況如表1所示。

表1 11603工作面頂底板情況

2 巷道的支護設計

經測量，11603工作面巷道的寬度為5.6 m，高度為4.4 m，屬于大斷面巷道。為保證11603工作面巷道后續掘進效率，需對工作面進行有效支護，以保證對巷道圍巖進行良好控制[2]。基于工程類比法，采用數值模擬手段對不同支護方案進行對比，最終采用錨桿+錨索聯合支護的最佳支護方案，擬采用的支護參數如表2所示。

表2 11603工作面擬采用的支護參數

2.1 錨桿直徑的確定

由于11603工作面頂板的砂質泥巖強度較大且其巷道的斷面較大，基于工程類比法確定了巷道頂板所選型錨桿的直徑為20 mm，巷道兩幫所采用錨桿的直徑為18 mm。

2.2 錨桿長度的確定

通過對不同頂錨桿和兩幫錨桿組合下的圍巖控制效果進行對比，且根據所選型頂錨桿的直徑為20 mm，兩幫錨桿的直徑為18 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，并基于FLAC3D軟件結合所測定的巷道參數建立三維模型，對上述不同支護參數下對應底板的底鼓量、兩幫的移近量和頂板的下沉量進行對比，所得出的仿真結果如下頁圖1所示。

由圖1可知，隨著頂板錨桿長度的增加，底板的底鼓量、兩幫的移近量以及頂板的下沉量均會減小。具體分析如下：當頂板錨桿從2 m增大至2.2 m時，兩幫移近量明顯降低，而頂板錨桿長度由2.4 m增大至2.6 m時，兩幫的移近量變化不明顯。因此，考慮到實際施工的難度和對巷道圍巖的控制效果，應將頂板錨桿長度確定為2.4 m。

圖1 不同錨桿長度組合下巷道的變形量對比

隨著兩幫錨桿長度的增加，底鼓量、兩幫移近量以及頂板下沉量均減小。具體分析如下：幫錨桿長度由1.6 m增大至1.8 m以及從1.8 m增加至2 m對應兩幫的移近量的變化量明顯大于從2 m增加至2.2 m時的變化量。因此，考慮到實際施工的難度和對巷道圍巖的控制效果，應將兩幫錨桿長度確定為1.8 m。

同理，對在不同錨桿布置密度下的對應巷道的變形以及圍巖深部和淺部的應力集中現象進行對比[3]。綜合考慮實際施工難度和支護成本，最終確定錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 200 mm，選用錨索直徑為17.8 mm的鋼絞線；基于理論計算得出錨索長度的理論值為5.17 m，圓整為5.2 m；所確定錨索間距為2 400 mm，錨索排間距為4 000 mm。

3 大斷面巷道掘進施工的優化

從理論上講，影響工作面掘進效率的因素眾多，包括巷道本身的地質條件、所選型的掘進設備類型和配套的裝備、所設計的掘進工藝、在實際施工過程中的管理方案以及施工隊伍的素質。在上述眾多因素中，地質條件為不可改變因素，而在可變因素中，掘進設備及其配套設備的選型和掘進工藝的設計這兩個影響因子最大[4]。因此，通過著重對大斷面掘進設備及其配套設備和掘進工藝進行優化，以實現對巷道的快速掘進。值得注意的是上述因素均是在穩定支護的基礎上進行分析的。

3.1 掘進設備及其配套設備的優化

結合11603工作面的實際情況和各種掘進設備及其配套設備的性能、成本以及安裝方式，最終為該工作面快速掘進所配置的掘進機及其配套設備的參數如表3所示。

表3 掘進機及其配套設備的優化設計

3.2 掘進工藝的優化

根據11603工作面的實際情況，針對不同地質條件選用不同掘進工藝，具體闡述如下：

1）針對地質條件好的情況采用中心進刀方式開始掘進，并在四周進行刷幫操作[5]；

2）當巷道工作面出現頂板破碎情況時，工作面應該分兩次進行截割，走向如圖2所示。基于該掘進工藝可進一步提升巷道掘進的安全性，同時還可以減少巷道空頂的時間，進而提升巷道的掘進效率。

圖2 頂板破碎工況掘進工藝

3）當在實際掘進過程中發現片幫現象時，應該按照如圖3所示的工藝開始掘進。基于該掘進工藝可縮短兩幫的暴露時間，從而提升巷道掘進的安全性，進而提升巷道的掘進效率。

圖3 片幫工況時的掘進工藝

4 結語

實現工作面巷道的快速掘進，可與巷道回采效率相匹配，從而達到提升煤礦整體生產效率的目的。在實際掘進過程中，巷道的支護質量和對圍巖的控制效果是保證巷道快速掘進的基礎。此外，實際掘進施工中所選型的掘進機及其配套設備和所設計掘進工藝也會直接影響巷道的掘進效率。因此，需結合巷道實際情況，綜合考慮施工難度和支護成本確定最佳方案對巷道進行支護，并為煤巷快速掘進配置掘進設備及其配套設備，以保證掘進工藝可適用于不同工況下的掘進。