掘錨一體機切眼大斷面一次成巷掘進技術應用

劉愛云

(鄂爾多斯市伊化礦業資源有限責任公司，鄂爾多斯 017000)

0 引 言

近年來，隨著我國機械化水平的提高，綜掘機等設備在礦井得到了廣泛應用。雖然綜掘掘進速率快，但其僅具有單一的掘進功能，支護占成巷時間的比重大，造成巷道總掘進時間長，這成為制約快速成巷的瓶頸[1-5]。因此，如何提高巷道的支護效率是當前快速成巷面臨的關鍵問題[6-7]。掘錨一體機能夠實現掘進與支護同步施工，解決成巷過程中掘錨分離的問題，減少支護所占用的時間，滿足巷道快速掘進的要求[8-9]。掘錨一體機在內蒙、陜西等一些煤層條件較為簡單的礦井已實現應用，大大提高了巷道掘進速率，緩解了采掘接替緊張的局面[10-11]。但掘錨一體機受地質條件影響較大，在巷道處于高應力、軟巖等復雜條件時，圍巖易發生冒頂、片幫等問題，限制了掘錨一體機的使用[12-13]。本文針對母杜柴登煤礦巷道掘進速率較慢的現狀，采用理論分析、數值模擬及現場實測等手段，對掘錨一體機快速成巷工藝進行研究，大大提高了巷道的掘進速率，為類似條件下巷道的快速掘進提高了寶貴經驗。

1 工作面概況

母杜柴登煤礦30207工作面位于井田南翼中部，302盤區東側，主采煤層為3-1煤煤，設計采高4.8 m，生產能力4.2 Mt/a。工作面設計長度3 500 m，寬度326 m，走向南北，向302盤區西部接續。煤層厚度為3.8～6 m，總體南部厚，北部?。好簩勇裆顬?30.8-～654.61 m，南淺北深；煤層底板標高在+631.1～+646.132 m之間，南高北低；整體為單斜構造，工作面煤層傾角1～2°，煤層傾向為北西向，工作面回采將以小角度俯采為主。煤層地質條件較為簡單，頂板主要為粉砂巖及細粒砂，底板主要為粉砂巖、砂質泥巖。礦井鉆孔勘探顯示，以頂板砂巖含水層充水為主，20 m以下含水層富水性較弱，但水壓較大。通過疏放水鉆孔將工作面頂板冒落裂縫帶發育范圍內的含水層水疏放至不承壓狀態，減少采后涌水量，尤其是減少初次頂板垮落及周期性頂板垮落過程中的涌水量，使工作面頂板水能夠平穩泄出，保證了采掘安全。30207運輸巷掘進斷面19.44 m2，采用錨網索支護，原支護參數見表1。

表1 30207運輸巷原支護參數

2 掘進施工工藝優化

2.1 原施工工藝

30207運輸巷原采用EBZ230型掘進機掘進，掘進機參數，見表2。

表2 EBZ230型掘進機參數

巷道原掘進工藝受掘進與支護分離影響，成巷速率慢，月進尺約240 m，造成礦井采掘交替緊張。為提高巷道掘進速率，該礦提出采用掘錨一體機提高成巷速率，縮短掘進與支護的時間，保證巷道的掘進進尺滿足回采需求。

2.2 掘錨一體施工工藝

目前影響巷道快速掘進的主要因素是支護所占用的時間，占成巷總時間的75%左右。為提高成巷速率，30207運輸巷采用MB670型掘錨一體機施工，將掘進與支護等工序同步作業，減少支護所需的時間，提高成巷速率，具體參數見表3。

表3 MB670型掘錨一體機參數

根據巷道圍巖特性、掘錨一體機工藝特征，需要巷道支護工藝進行優化，減少支護所占用時間，提高成巷速率。

根據頂板巖層性質確定循環進尺，保證巷道掘進的安全性。如果頂板完整性、穩定較好時，最大控頂距不超過3 m，掘錨一體機施工時控頂距為2 m，并采用液壓支架前探梁進行臨時支護；如果頂板完整性、穩定性較差時，需在頂板施工錨桿、錨索進行超前支護，并實行短掘短支?，F場施工時，巷道兩幫支護可以適當滯后補打，縮短支護所占用的時間。單循環打6根頂錨桿、2根頂錨索，施工錨索同時，在兩幫上部滯后補打1根錨桿、下部打3根錨桿，滯后范圍為迎頭向外15 m段。

3 支護參數數值模擬

3.1 模擬方案

采用FLAC3D數值模擬錨桿、錨索不同參數時應力分布情況，確定巷道最合理支護參數。建立100 m×40 m×30 m力學模型，垂直方向施加8 MPa荷載，材料參數見表4。

表4 30207運輸巷材料參數

3.2 模擬結果分析

(1)錨桿預緊力

在30207運輸巷頂板、幫部分別布置6根和4根Φ22×2 000 mm的錨桿，設計預緊力分別為20、40、60和80 kN時應力分布情況，如圖1所示。

由圖1可知，隨著錨桿預緊力的增加，錨固范圍逐漸增大。當預緊力為20 kN時，頂板和兩幫預應力擴散范圍小，僅在錨固段附近和錨桿尾部0.5 m內擴散良好，圍巖最大壓應力值低。當預緊力為40 kN時，預應力擴散范圍仍較小，圍巖最大壓應力僅為0.07 MPa。當預緊力為60 kN時，預應力擴散至錨桿整個錨固范圍，圍巖最大壓應力為0.14 MPa。當預緊力為80 kN時，預應力擴散范圍較好，圍巖最大壓應力為0.17 MPa。為了提高支護強度，盡量增大錨桿支護預緊力，同時需結合現場施工條件及成本等因素，建議30207運輸巷錨桿預緊力為60 kN。

圖1 不同預緊力圍巖應力分布情況

(2)錨桿數量

在30207運輸巷頂板分別施工4根、6根、8根Φ22×2 000 mm的錨桿，預緊力為60 kN，應力分布情況如圖2所示。

圖2 不同錨桿數量圍巖應力分布情況

由圖2可知，隨著錨桿數量的增加，錨桿形成的壓應力逐漸疊加。雖然錨桿數量為4根、6根、8根時最大壓應力值均為0.14 MPa，但錨桿間距不同，應力相互疊加效果不同。當錨桿數量4根時，應力相互疊加效果較差；當錨桿數量增加至6根后，應力相互疊加效果明顯，能形成較好的壓力拱；當錨桿數量增加至8根后，應力相互疊加效果基本與6根相同。結合礦井施工條件及成本等因素，建議30207運輸巷錨桿數量為6根。

(3)錨桿長度

在30207運輸巷分別布置直徑22 mm，長度分別為1 600、2 000和2 400 mm時應力分布情況，預緊力為60 kN，應力分布情況如圖3所示。

圖3 不同錨桿長度圍巖應力分布情況

由圖3可知，錨桿長度對圍巖預應力擴散情況影響較小，僅僅沿著錨桿軸線方向有一定影響。對于錨桿長度的確定，應當在能保證圍巖穩定性的前提下，適當縮短錨桿長度。由于30207運輸巷圍巖完整性、穩定性相對較好，建議30207運輸巷錨桿長度2 000 mm。

(4)錨索長度

在30207運輸巷分別布置直徑17.8 mm，長度分別為4 300、6 300和8 300 mm時應力分布情況，張拉力為150 kN，錨桿規格為Φ22×2 000 mm，預緊力60 kN，應力分布情況如圖4所示。

圖4 不同錨索長度圍巖應力分布情況

由圖4可知，隨著錨索長度的增加，減弱圍巖預應力擴散效果，與錨桿應力疊加效果相對較差。對于錨索長度的確定，應當在能保證圍巖穩定性的前提下，適當縮短錨索長度。由于煤層厚度較大，巷道頂板煤層及砂質泥巖強度較低，建議30207運輸巷錨索長度6 300 mm。

(5)排距

在30207運輸巷分別設置錨桿排距為1 000 mm，錨桿規格為Φ22×2 000 mm，預緊力為60 kN，錨索規格為Φ17.8×6 300 mm，應力分布情況如圖5所示。

圖5 錨桿排距1 000 mm時圍巖應力分布情況

由圖5可知，隨著錨桿、錨索排距縮小，相鄰錨桿、錨索間壓應力疊加效果好，但當排距減小至一定程度后，對有效壓應力擴大、錨索預應力擴散變得不在明顯。當錨桿排距1 000 mm時，圍巖應力場形成的最大應力值為0.14 MPa，相鄰錨桿、錨索間應力疊加效果能夠滿足巷道支護需求，建議30207運輸巷錨桿排距1 000 mm。

4 支護參數確定

4.1 支護參數

采用FLAC3D模擬30207運輸巷錨桿、錨索不同參數時圍巖應力分布情況，結合施工條件及成本等因素，對原巷道支護參數進行了優化，具體參數見表5。

表5 30207運輸巷優化后支護參數

錨桿預緊力不低于60 kN，錨桿、錨索錨固力均不低于15 t，支護示意圖如圖6所示。

圖6 30207運輸巷支護示意圖

4.2 優化后的支護模擬效果分析

對30207運輸巷錨桿、錨索支護參數進行優化后，采用FLAC3D模擬巷道圍巖應力及位移分布情況，驗證支護參數能否保證圍巖穩定性，應力分布情況模擬結果如圖7所示，位移分布情況模擬結果如圖8所示。

圖7 30207運輸巷圍巖應力分布圖

圖8 30207運輸巷圍巖位移分布圖

由圖8可知，對30207運輸巷錨桿、錨索支護參數進行優化后，巷道圍巖應力和位移情況發生了明顯改善。垂直應力集中在巷道幫部，水平應力集中在頂底板，最大垂直應力和水平應力分別為10.92、11.25 MPa，最大頂板下沉量、底鼓量及兩幫移近量分別為13、20和24 mm。根據模擬結果可知，巷道支護參數優化后，巷道圍巖變形量較小，在安全范圍內。因此，優化后的支護方案能夠滿足巷道圍巖完整性、穩定性的要求。

5 現場效果檢驗

對30207運輸巷錨桿、錨索支護參數進行優化施工后，通過監測巷道圍巖變形量驗證支護效果，在監測的120 d內巷道圍巖變形情況如圖9所示。

圖9 30207運輸巷圍巖變形情況圖

由圖9可知，在監測的120 d內，巷道圍巖變形量先增加后逐漸穩定，變形量主要集中在前7 d內。根據監測結果可知，最大頂板下沉量為45 mm，最大變形速率為15 mm/d；最大兩幫移近量為47 mm，最大變形速率為13 mm/d。支護參數優化后有效提高了圍巖強度，減小了圍巖變形量，支護效果較好，能夠保證圍巖穩定性。

6 經濟效益分析

(1)該礦采用掘錨一體機后，施工時間大大縮短，平均單循環時間由90～106 min縮短至55～63 min，每天增加6個循環，日循環進尺由8 m提高至13 m，單月進尺由240 m提高至400 m。同時，減少施工人員，原13人可完成的任務縮短至8人。

(2)支護參數優化后，與原支護相比減少材料的銷號，支護材料成本由3 299.4元/m減少至2 666元/m，降幅19.2%。

7 結束語

(1)針對30207運輸巷掘進速率較慢的現狀，該礦采用MB670型掘錨一體機施工，將掘進與支護等工序同步作業，減少支護所需的時間，提高成巷速率。

(2)巷道掘進后，原支護參數不足以滿足掘錨一體機施工要求，采用FLAC3D模擬不同錨桿預緊力、數量、長度、排距及錨索長度時圍巖應力分布情況，確定最優支護參數。根據模擬結果可知，建議巷道采用預緊力60 kN、數量6根、長度2 000 mm、排距1 000 mm的錨桿及長度為6 300 mm錨索對巷道進行支護。支護參數優化后，通過模擬巷道圍巖應力分布及位移變化情況，得到最大垂直應力和水平應力分別為10.92、11.25 MPa，最大頂板下沉量、底鼓量及兩幫移近量分別為13、20、24 mm，巷道圍巖變形量較小，能夠滿足巷道圍巖完整性、穩定性的要求。

(3)支護參數優化現場施工后，通過監測巷道圍巖變形量驗證支護效果。在監測的120 d內，最大頂板下沉量為45 mm，最大變形速率為15 mm/d；最大兩幫移近量為47 mm，最大變形速率為13 mm/d。支護參數優化后有效提高了圍巖強度，減小了圍巖變形量，支護效果較好。

(4)采用掘錨一體機不僅提高了巷道的掘進速率，單月進尺由240 m提高至400 m，還節約了經濟成本，支護材料由3 299.4元/m減少至2 666元/m，降幅19.2%。