大斷面巷道支護(hù)及快速掘進(jìn)施工工藝優(yōu)化

任澤哲

（晉能控股集團(tuán)四老溝礦機(jī)掘三隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)已經(jīng)步入綜采、綜掘時(shí)代，同時(shí)已經(jīng)有必要的設(shè)備和先進(jìn)的技術(shù)做支撐。與此同時(shí)，在當(dāng)前高強(qiáng)度煤炭開采作業(yè)的推動(dòng)下，工作面對(duì)大型設(shè)備的需求越來(lái)越高，這就對(duì)巷道的掘進(jìn)力度也提出了更高的要求。因此，如何對(duì)大斷面巷道實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)并保證后續(xù)的生產(chǎn)尤為重要[1]。本文重點(diǎn)在對(duì)大斷面巷道進(jìn)行高效支護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其必要的掘進(jìn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，以保證掘進(jìn)效率和巷道的成型質(zhì)量。

1 利民煤礦011603 工作面工程概況

本文以利民煤礦下屬的011603 工作面為例開展研究。利民煤礦的原始儲(chǔ)量為111.68 Mt，在最初該煤礦的生產(chǎn)能力為0.6 Mt/年，后續(xù)隨著設(shè)備的更替和技術(shù)的進(jìn)步，目前該煤礦的生產(chǎn)能力為1.5 Mt/年。011603 作為利民煤礦的下屬綜采工作面，該工作面煤層的厚度范圍為3.3～7.8 m，煤層平均厚度為7.2 m；工作面煤層的傾角范圍為3°～12°，煤層平均傾角為6°。011603 綜采工作面頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 011603 綜采工作面頂?shù)装鍡l件

經(jīng)探測(cè)可知，011603 綜采工作面的最大涌水量可達(dá)95 m3/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(duì)值為1.98 m3/t。

總的來(lái)講，011603 綜采工作面的地質(zhì)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜且頂板主要以砂質(zhì)泥巖為主，導(dǎo)致頂板施工的難度增加，進(jìn)而影響巷道的掘進(jìn)速度；其次，工作面受采空區(qū)積水的影響也是制約煤礦快速掘進(jìn)的主要因素[2]。最后，工作面煤層瓦斯的涌出量較大，也對(duì)工作面的快速掘進(jìn)工藝提出較大的挑戰(zhàn)。

2 大斷面巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

若想保證大斷面巷道的快速掘進(jìn)，首先得保證工作面的良好支護(hù)狀態(tài)。因此，本小節(jié)結(jié)合011603綜采工作面的實(shí)際情況通過(guò)數(shù)值模擬手段最終確定最佳支護(hù)方案。目前，巷道主流支護(hù)方案為錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)，本小節(jié)重點(diǎn)通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)錨桿直徑、長(zhǎng)度、錨桿支護(hù)密度等參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1.1 錨桿直徑

鑒于011603 綜采工作面的頂板條件和巷道斷面面積等參數(shù)與16 號(hào)煤層工作面參數(shù)的相差不大。因此，011603 綜采工作面的頂錨桿和幫錨桿直徑借鑒16 號(hào)煤層的選型結(jié)果。即：頂錨桿采用直徑為20mm的高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿采用直徑為18 mm 的高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿。

2.1.2 錨桿長(zhǎng)度

在對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比之前，確定的其他變量的參數(shù)如下：頂錨桿直徑為20mm，兩幫錨桿直徑為18 mm，錨桿間距和排間距均為1000 mm。仿真結(jié)果如下頁(yè)圖1 所示，隨著頂錨桿長(zhǎng)度的增加，工作面底鼓量、兩幫移近量和頂板下沉量均降低。區(qū)別在于當(dāng)頂錨桿長(zhǎng)度大于2.4 m 后，減小的效果不是很明顯。因此，最終確定頂錨桿的長(zhǎng)度為2.4 m。同理，確定兩幫錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度為2.0 m。

圖1 不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果

2.1.3 不同錨桿支護(hù)密度

在對(duì)不同錨桿支護(hù)密度對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比之前，確定的其他變量的參數(shù)如下：頂錨桿直徑為20 mm，兩幫錨桿直徑為18 mm；頂錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，兩幫錨桿長(zhǎng)度為2.0 m。分別對(duì)錨桿間距為0.8 m、1 m、1.2 m 所得的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同錨桿間距對(duì)應(yīng)的巷道變形量

如圖2 所示，隨著錨桿間距的減小，對(duì)應(yīng)巷道的變形量逐漸減小。不同的是，錨桿密度由1200 mm、1200 mm 減小為1000 mm、1000 mm 時(shí)巷道變形量的減小趨勢(shì)明顯大于錨桿密度由1000 mm、1000 mm 減小為800 mm、800 mm 的情況。

因此，將工作面頂錨桿密度確定為1000 mm、1000 mm 為最佳；而對(duì)于兩幫錨桿而言，在工程中可適當(dāng)增加幫錨桿的間距，即確定幫錨桿支護(hù)密度為1000 mm、1200 mm。

2.4 錨索支護(hù)參數(shù)的確定

錨索長(zhǎng)度的確定需根據(jù)錨索深入至頂板圍巖的錨固長(zhǎng)度、工作面頂板不穩(wěn)定圍巖的厚度、錨具的厚度以及錨索的外露長(zhǎng)度綜合確定[3]。本工程中，設(shè)計(jì)錨索深入至頂板圍巖的錨固長(zhǎng)度為2 m，不穩(wěn)定巖層的厚度為2.3 m，錨索的外露長(zhǎng)度為0.3 m，錨具的長(zhǎng)度為0.1 m。在上述基礎(chǔ)上再乘以1.1 倍的安全系數(shù)得出錨索支護(hù)長(zhǎng)度為5.17 m，本工程將其數(shù)值圓整為5.20 m。

同理采用數(shù)值模擬方法得出最佳的錨索間距。經(jīng)仿真分析，本工程對(duì)應(yīng)的最佳錨索密度為2400 mm、2400 mm。

綜上所述，得出大斷面011603 巷道的支護(hù)方案如圖3 所示。

圖3 大斷面巷道的最終支護(hù)方案（單位：mm）

3 快速掘進(jìn)工藝的優(yōu)化

在上述合理支護(hù)的基礎(chǔ)上，需綜合011603 綜采工作面的地質(zhì)條件完成掘進(jìn)設(shè)備及其配套設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)高效的掘進(jìn)施工工藝，并配置高素質(zhì)的隊(duì)伍和科學(xué)的施工組織管理才能夠最終達(dá)到快速掘進(jìn)的效果[4]。

3.1 掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備的選型

結(jié)合011603 綜采工作面的地質(zhì)條件和掘進(jìn)機(jī)的選型原則，最終確定選用EBZ200 型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)操作，與EBZ200 掘進(jìn)機(jī)配套的其他裝備如表2 所示。

表2 與掘進(jìn)機(jī)配套的裝備

3.2 掘進(jìn)工藝的優(yōu)化選擇

在實(shí)際掘進(jìn)操作中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取最有效的掘進(jìn)工藝。具體如下：

1）當(dāng)工作面地質(zhì)條件好時(shí)，掘進(jìn)機(jī)采取中心進(jìn)刀的方式開展掘進(jìn)任務(wù)；與此同時(shí)，還在巷道四周進(jìn)行刷幫操作。

2）當(dāng)工作面頂板圍巖出現(xiàn)破碎的情況，應(yīng)對(duì)工作面分兩次進(jìn)行掘進(jìn)。首先，先對(duì)巷道1/3 的寬度進(jìn)行掘進(jìn)；其次，再對(duì)剩余的2/3 的巷道進(jìn)行掘進(jìn)。采取該種掘進(jìn)工藝可進(jìn)一步縮短空頂時(shí)間，從而保證巷道掘進(jìn)的安全性。

3）當(dāng)在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)地應(yīng)力大的情況，且巷道兩幫極易發(fā)生片幫的現(xiàn)象時(shí)，在此種情況下為了縮短兩幫的暴露時(shí)間應(yīng)首先從巷道斷面中間進(jìn)行掘進(jìn)，其次再進(jìn)行刷幫操作。

4 結(jié)論

1）011603 綜采工作面巷道的最終支護(hù)方案為：頂錨桿直徑為頂錨桿直徑為20 mm，兩幫錨桿直徑為18 mm，頂錨桿密度確定為1000 mm、1000 mm，幫錨桿支護(hù)密度為1000 mm、1200 mm，錨索支護(hù)長(zhǎng)度為5.20 m，錨索密度為2400 mm、2400 mm。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理調(diào)整掘進(jìn)工藝后，巷道的掘進(jìn)效率提高了近40%。