硬巖巷開拓掘進支護優化及機械配套研究

任澤哲

（晉能控股集團四老溝礦機掘三隊，山西 大同 037000）

引言

在實際生產中，若想大幅度提升綜采工作面的生產效率，必須保證工作面各個環節的匹配度達到最高。就目前而言，綜采工作面的主要矛盾為巷道掘進效率與巷道采煤效率相差較大；而且，對于硬巖巷道而言，由于巖層條件復雜常通過炮掘工藝進行掘進，每月僅可掘進100 mm 的長度，嚴重制約了礦井的生產效率[1]。同時，實現硬巖巷道快速掘進的關鍵因素之一為保證巷道的有效支護，并為其配套高效的掘進設備。本文針對硬巖巷道，對其支護方案進行優化，并完成高效掘進機械設備的配套。

1 良莊煤礦水平大巷道工程概況

本文以良莊煤礦為研究對象，以其水平大巷道的掘進為例開展研究。該水平巷道的高度為3.6 m、寬度為4.6 m，巷道斷面面積為16.56 m2。水平大巷道內的巖層硬度范圍為8～11，且巖層的結構相對穩定。水平大巷道的頂底板地質條件見表1。

表1 水平大巷道頂底板地質條件

經探測可知，水平大巷道的最大涌水量可達95m3/h，一般情況下的平均/正常涌水量為5.3 m3/h。由工作面煤層涌出瓦斯的相對值為1.98 m3/t。

總的來講，首先，水平大巷道的地質環境相對復雜且頂板以砂質泥巖為主，導致頂板施工的難度增加，進而影響巷道的掘進速度；其次，工作面受到采空區積水的影響，且采空區積水也是制約煤礦快速掘進的主要因素[2]；最后，工作面煤層瓦斯的涌出量較大，也對工作面的快速掘進工藝提出較大的挑戰。

2 掘進支護方案的優化

對于硬巖層巷道而言，由于其巖層較硬且地質環境相對復雜，對硬巖巷道的高效支護可保證后期的掘進效率，起到事半功倍的效果。因此，本小節重點對水平大巷道的支護參數進行優化。目前水平大巷道采用錨桿+錨索的聯合支護方式進行支護，具體支護參數見表2。

表2 水平大巷道錨桿+錨索聯合支護參數

由表2 所示，頂部和兩幫所選的錨桿為等強錨桿，布置的排距為700 mm、間距為700 mm；頂部錨索采用左旋預應力鋼絞線形式，布置間距為1 500 mm、排距為1 600 mm。在實際實施過程中發現：現階段的支護方案相對煩瑣，導致在一個正規循環的掘進任務中有70%的時間均耗費在支護上，直接減少了實際掘進時間，進而影響了巷道的掘進速度和掘進與采煤工序的交替[3]。

為解決上述問題，擬通過減小錨桿和錨索的布置密度來進行優化，具體方案如下：

1）頂板選用直徑為20 mm、長度為1 800 mm 的讓壓錨桿，錨桿的排距和間距均為900 mm。

2）兩幫選用直徑為20 mm、長度為2 000 mm 的讓壓錨桿，且兩幫錨桿排距為700mm、間距為900mm；同時，將幫錨桿按傾角45°在兩幫安裝。

3）頂部錨索采用直徑為16 mm、長度為6 500 mm的左旋預應力鋼絞線制作的錨索，且頂部錨索的間距為1 600 mm、排距為1 800 mm。

將上述優化前后方案的支護效果進行對比，重點考慮不同支護方案下頂板和兩幫的位移量。基于FLAC3D 軟件對不同支護方案的支護效果進行對比，詳見表3。

表3 不同支護方案的支護效果對比

對比優化前后支護方案對應的頂板下沉量和兩幫移近量可知，兩種方案對控制圍巖的效果相似。因此，可采用優化后的方案對硬巖巷道進行支護。同時，采用優化后的支護方案，在保證硬巖巷道圍巖穩定性的同時，由于錨桿和錨索的布置間距增大，在同樣支護面積下極大地縮短了錨桿和錨索的安裝時間，從而直接增加了掘進的時間，為實現快速掘進奠定基礎。

此外，除了上述錨桿與錨索聯合支護的方案外，還延續原硬巖巷道所采用的W 鋼帶+金屬網的強化支護方案。所采用W 鋼帶的寬度為280mm、厚度為4mm，鋼帶間排距900mm、900mm；金屬網網孔規格為100 mm×100 mm，網柱高度、間距為2.3 m、3m。

3 硬巖巷道開拓掘進機械配套

3.1 鑿巖鉆頭的選型

在實際支護實施過程中需要進行鉆孔操作。因此，實際的鉆孔速度直接影響支護的速度，進而影響巷道的掘進效率。因此，為實際支護實施配置合適的鉆頭尤為重要。目前，可選用的鉆頭包括十字鉆頭和球齒鉆頭兩種。實踐表明，采用十字鉆頭施工時，僅鉆孔的時間就占據掘進工作時間的40%，平均鉆孔速度為0.15 m/min；而且采用十字鉆頭磨損嚴重，一般一個鉆頭僅能夠完成3 個鉆孔的鉆進任務。但是，采用球齒鉆頭對應的鉆孔速度為0.25 m/min，而且完成4 個鉆孔任務后鉆頭仍然完好。因此，本工程選用球齒鉆頭進行鉆孔操作。

3.2 掘進設備的選型

結合水平大巷道的掘進任務及地質條件，為其配置的掘進設備及其配套設備的選型結果見表4。

表4 掘進設備的選型配套

實踐表明：對巷道進行優化支護后且采用液壓鉆機和錨桿鉆機進行錨眼的鉆進后，加快了巷道的支護速度，同時參與掘進支護的工作人員數量也減少了。同時，本方案選用球齒鉆頭對錨桿進行鉆進，提升了鉆孔速度，極大地縮短了鉆孔時間，為巷道快速掘進奠定基礎。

4 結論

1）由于良莊煤礦水平大巷道原支護方案的錨桿和錨索布置密度過大，導致支護效率低。因此，將錨桿與錨索的間距與排距增加，實現在保證對巷道圍巖穩定性控制不變的基礎上，提高巷道支護效率。

2）為巷道掘進配置球齒鉆頭對錨眼進行鉆孔，大大提升了鉆孔速度；同時，配置的液壓鉆機和鑿巖機也極大地提升了巷道的支護效率，為保證巷道的掘進效率奠定基礎。