5125 巷道快速掘進(jìn)技術(shù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

胡海濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037027）

馬脊礦位于山西大同煤田西北邊緣，5125 巷道屬于半煤巖巷道，煤層厚度1.14 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均埋深137.8 m，巷道開(kāi)挖總斷面16.2 m2，其中煤層、巖層面積分別是6.16 m2和10.04 m2。掘進(jìn)速度慢是面臨的主要問(wèn)題。

1 5125 巷道快速掘進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 掘進(jìn)方式選擇

煤礦巷道掘進(jìn)工藝有鉆孔爆破和掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等機(jī)械掘進(jìn)[1]方式，結(jié)合5125 巷道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)應(yīng)用綜掘方式[2]。

采用掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械方式掘進(jìn)，除配置掘進(jìn)機(jī)外，還需刮板輸送機(jī)、錨桿鉆機(jī)、運(yùn)輸機(jī)以及裝載機(jī)等后配套設(shè)備。5125 半煤巖巷道選用EBZ-260H 型掘進(jìn)機(jī)，沿煤層底板破頂掘進(jìn)，配套使用CMM2-21 液壓錨桿鉆車(chē)完成掘進(jìn)、支護(hù)聯(lián)合施工作業(yè)。掘進(jìn)中，掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺2800 mm，一次進(jìn)刀1000 mm，最小、最大控頂距≤800 mm、3000 mm，當(dāng)每一掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺結(jié)束后，安設(shè)錨桿完成支護(hù)作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀示意圖如圖1。

圖1 進(jìn)刀示意圖

1.2 綜掘施工流程

依據(jù)5125 巷道地質(zhì)條件，確定該巷道具體掘進(jìn)施工流程為：掘進(jìn)機(jī)一次截割成巷→從煤層底板進(jìn)行挑頂掘進(jìn)施工→掘進(jìn)、支護(hù)依次作業(yè)。

使用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀落煤、出煤（矸），煤矸運(yùn)輸流程為：掘進(jìn)機(jī)鏟板→一運(yùn)→膠帶、刮板運(yùn)輸機(jī)→工作面溜煤眼→大巷刮板運(yùn)輸機(jī)→溜煤眼→大巷主膠帶輸送機(jī)→轉(zhuǎn)載硐室刮板運(yùn)輸機(jī)→大巷主膠帶輸送機(jī)→地面煤倉(cāng)。

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷道支護(hù)技術(shù)理論設(shè)計(jì)

2.1.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)基于懸吊理論[3]對(duì)頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。式（1）為錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：K為安全系數(shù)，取值1.5；H為冒落拱高度，m；L1、L2依次是深入到穩(wěn)定基巖的錨桿長(zhǎng)度、外露長(zhǎng)度，取值0.7 m、0.05 m。

冒落拱[4]計(jì)算公式如式（2）：

式中：W為巷道開(kāi)挖寬度，取值5.4 m；f為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)，粉砂巖大小取5。通過(guò)計(jì)算得到H=0.54 m，因此，錨桿長(zhǎng)度L≥1.56 m。

依據(jù)上述錨桿計(jì)算結(jié)果，選用Ф18 mm×2100 mm 的螺紋鋼錨桿。通過(guò)懸吊面積[5]來(lái)確定錨桿間排距，如式（3）：

式中：Q為設(shè)計(jì)錨固力值，取85 kN/根；K為安全系數(shù)，取值2；H為冒落拱高度，取值0.54 m；R為粉砂巖的重力密度，取值23 kN/m3。通過(guò)計(jì)算得到A=3.43 m2。

在錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)支護(hù)以及支護(hù)安全性，確定錨桿間排距1000 mm。

巷道錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，將巖體內(nèi)的粘接力、內(nèi)摩擦力忽略不計(jì)，依據(jù)豎直方向的平衡力考慮，則錨索長(zhǎng)度[6]計(jì)算公式如式（4）：

式中：n為錨索排數(shù)，取1；B、H分別是巷道最大冒落寬度、高度，取5.4 m、2.1 m；g為巖體容重，取23 kN/m3；Q和Q1分別是錨桿錨固力值和極限承載力值，取85 kN/根、190 kN/根；q是巷道頂板、錨桿間所成夾角，取90°。通過(guò)計(jì)算得到L3=2.1 m，由于計(jì)算得到的錨索長(zhǎng)度較短，依據(jù)礦井配套錨索規(guī)格選用Ф15.24 mm×7300 mm。

幫錨桿長(zhǎng)度[7]參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)加固幫體效果，需遵循：

式中：L1、L6、L7依次是錨桿外露、有效以及錨固長(zhǎng)度，外露長(zhǎng)度≤0.05 m，錨固長(zhǎng)度取0.3 m。

錨桿有效長(zhǎng)度[8]計(jì)算公式如式（6）：

式中：f普氏系數(shù)，取值1.5～2；W為巷道寬度，m。因此計(jì)算可得L6=1.29～1.31 m，所以幫錨桿長(zhǎng)度L=1.64～1.66 m。基于理論計(jì)算結(jié)果，幫錨桿選用Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm。

掘巷中，由于錨桿永久支護(hù)和掘進(jìn)頭存在一定距離，為實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板的支撐，通常要求安設(shè)少許錨桿，保證不會(huì)出現(xiàn)頂板垮落。空頂范圍內(nèi)頂板重量[9]公式如式（7）：

式中：b為垮落高度，取值0.2～0.3 m，本文取0.25 m；W為巷道寬度，取值5.4 m；R為細(xì)粒砂巖密度，取值23 kN/m3；S為當(dāng)出現(xiàn)最大空頂距時(shí)，一根錨桿所能承載力的距離大小，取值1 m。通過(guò)計(jì)算得到G=31.1 t。

巷道錨桿臨時(shí)支護(hù)數(shù)量[10]計(jì)算公式如式（8）：

式中：K為安全系數(shù)，取值2；G=31.1 t；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；Q為錨桿抗拔能力值，取值160 kN/根。計(jì)算得到N=3.81，為保證礦井安全生產(chǎn)，5125 半煤巖巷道臨時(shí)支護(hù)錨桿數(shù)量選用4。

2.1.2 巷道支護(hù)方案及施工流程

根據(jù)上述計(jì)算，頂、幫錨桿均采用Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿，規(guī)格分別為Ф18 mm×2100 mm、Ф18 mm×1800 mm，與Ф15.24 mm×7300 mm 高強(qiáng)度錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距、錨索排距分別是1000 mm×1000 mm、2000 mm。同時(shí)，在頂板左右頂角處增加錨桿，與巷道垂直方向成15°，規(guī)格同頂錨桿。支護(hù)布置如圖2。

圖2 5125 巷道錨桿支護(hù)布置圖（mm）

5125 巷道支護(hù)流程：全斷面截割煤完成一個(gè)循環(huán)距離→敲幫問(wèn)頂→掛網(wǎng)進(jìn)行鉆孔施工→安設(shè)錨桿并對(duì)其緊固。用MQT-130 風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)，配合B19×1000 mm、2200 mm 兩種型號(hào)鉆桿及兩翼合金的Ф28 mm 鉆頭打眼。

2.2 錨桿支護(hù)及時(shí)性分析

巷道快速掘進(jìn)中，影響巷道掘進(jìn)速率的關(guān)鍵是能否及時(shí)支護(hù)。為驗(yàn)證巷道及時(shí)支護(hù)的必要性，對(duì)比5125 巷道滯后距離分別為3 m、5 m 時(shí)的巷道頂板垂直應(yīng)力變化情況，如圖3。

圖3 巷道頂板垂直應(yīng)力分布圖

從圖3（a）中可看出，滯后5 m 時(shí)，垂直應(yīng)力減小區(qū)位于巷道支護(hù)前端和掘進(jìn)面，尤其是在位于掘進(jìn)面2.5～3 m 的位置，垂直應(yīng)力大小降低最為顯著，這也表明此位置處出現(xiàn)頂板垮落的危險(xiǎn)性最大。圖3（b）中，滯后3 m，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力減小區(qū)，這也表明在掘進(jìn)機(jī)一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)內(nèi)，及時(shí)采取巷道支護(hù)措施，能夠明顯使巷道的變形量、頂板垮落的危險(xiǎn)性減小。

掘進(jìn)機(jī)伸出的前梁在5125 巷道中可發(fā)揮臨時(shí)支護(hù)效果。因此，在巷道掘進(jìn)中，應(yīng)用EBZ-260H 型掘進(jìn)機(jī)，在提升巷道掘進(jìn)速率的同時(shí)，又降低了因巷道開(kāi)挖還沒(méi)有及時(shí)支護(hù)產(chǎn)生的冒頂事故危險(xiǎn)性。

3 對(duì)比應(yīng)用分析

為獲得采用快速掘進(jìn)支護(hù)工藝后5125 巷道的實(shí)際掘進(jìn)效果，主要監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)一個(gè)月內(nèi)的掘進(jìn)量，并對(duì)比分析采用普通掘進(jìn)工藝時(shí)的月掘進(jìn)量。5125巷道快速掘進(jìn)實(shí)行“三八制”作業(yè)模式，即兩班掘進(jìn)、一班檢修，因此，日掘進(jìn)量為兩班相加后得到的掘進(jìn)進(jìn)尺。記錄一個(gè)月的進(jìn)尺量，見(jiàn)表1。

表1 中，5125 巷道每班掘進(jìn)量是6.3 m，日掘進(jìn)量是12.6 m。監(jiān)測(cè)期內(nèi)，3 日四點(diǎn)班、4 日零點(diǎn)班，掘進(jìn)中出現(xiàn)小斷層，為確保巷道安全掘進(jìn)，當(dāng)天未能按規(guī)定量完成掘進(jìn)，斷層過(guò)后，又正常完成每天掘進(jìn)量；12 日、26 日，設(shè)備故障；25 日，改進(jìn)通風(fēng)裝置；11 日零點(diǎn)班，檢查衛(wèi)生；15 日四點(diǎn)班倒班；28 日處理雜活；29 日安裝帶式輸送機(jī)，均未按規(guī)定完成當(dāng)天掘進(jìn)量。其余時(shí)段，每班都能完成掘進(jìn)量，月掘進(jìn)量356.9 m。

表1 5125 巷道月掘進(jìn)進(jìn)尺匯總結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)比分析采用傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝的月掘進(jìn)量，掘進(jìn)機(jī)型號(hào)為EBZ-160，同樣統(tǒng)計(jì)一個(gè)月內(nèi)的掘進(jìn)量，見(jiàn)表2。

表2 中，使用EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)，日掘進(jìn)量約是全斷面快速掘進(jìn)的三分之一，且每班掘進(jìn)量相同，均為2.2 m，所以一個(gè)月內(nèi)的掘進(jìn)量是129.4 m。對(duì)比表1 可知，采用EBZ-162 型掘進(jìn)機(jī)一個(gè)月內(nèi)的掘進(jìn)量是采用快速掘進(jìn)一次成巷的三分之一。

表2 5125 巷道月生產(chǎn)情況匯總結(jié)果

4 結(jié)論

（1）依據(jù)5125 巷道特點(diǎn)，采用EBZ-260H 型掘進(jìn)機(jī)配合液壓錨桿鉆機(jī)完成巷道的全斷面掘進(jìn)和支護(hù)。

（2）巷道錨桿支護(hù)方案為：頂、幫錨桿均采用Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿，并和高強(qiáng)度錨索聯(lián)合支護(hù)，同時(shí)，在頂板左右頂角處增加錨桿，與巷道垂直方向成15°。

（3）現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)5125 巷道月掘進(jìn)量，快速掘進(jìn)工藝是356.9 m，傳統(tǒng)掘進(jìn)量是129.4 m，表明提升設(shè)備和改善掘進(jìn)工藝后，5125 巷道掘進(jìn)速度顯著提升。