大斷面半煤巖巷道快速掘進技術分析

仝 凱

（汾西礦業集團靈北煤礦，山西 靈石 031302）

引言

近幾年，隨著礦井采掘深度增加，巷道掘進面臨的不利因素影響更為凸顯，給巷道掘進效率以及掘進安全的制約更為顯著[1-2]。當礦井開采煤層較薄或者掘進巷道斷面較大時，巷道往往需要破頂或者破底掘進，掘進效率往往較低[3-5]。

山西某礦11203 運輸巷沿著11 號煤層掘進，巷道為典型的半煤巖巷道，巷道掘進過程中受巷道斷面大、頂底板圍巖巖性以及穩定性、地應力等各種因素制約，巷道掘進速度較慢。為此，文中就以11203 運輸巷掘進為工程實例，根據巷道現場實際條件提出針對性截割破煤（巖）技術方案以及圍巖支護方案，在保證圍巖穩定、掘機安全前提下，提高巷道掘進效率，實現快速掘進目的。

1 11203 運輸巷工程概況

山西某礦11203 運輸巷沿11 號煤層頂板掘進，煤層厚度均值2.5 m、埋深450 m，受到瓦斯治理、通風等因素影響，巷道掘進斷面較大，凈高、凈寬分別為4.5 m、3.45 m。11 號煤層直接頂為中砂巖，厚度3.5 m；基本頂為細粒砂巖，厚度14 m。底板為泥巖、細粒至中粒砂巖。具體11 號煤層及頂底巖層巖性參數如表1 所示。

表1 巖性參數

2 巷道掘進技術方案確定

2.1 掘進技術方案設計

11203 運輸巷采用綜掘方式，綜掘機單刀掘進深度500 mm、循環進尺2 000 mm。在分析巷道圍巖特點以及綜掘機作業方式基礎上，根據以往研究成果，提出下述兩種綜掘工藝方案[6-7]：

方案1：綜掘機截割頭從巷道左幫下部位置分四步開截割，在完成第一步截割后按照S 形軌跡移動，依次完成鄰近的第二部分、第三部分及第四部分煤巖體截割。

方案2：將11203 運輸巷掘進斷面分為四個大致相同的部分，巷道開挖分四步進行，從巷道左幫底部開始起刀向右截割，至巷道下部截割完成后按照S 形從左到右完成上部煤體截割。具體掘進巷道兩種截割方案示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道截割破煤（巖）方案

2.2 模擬分析

采用數值模擬軟件對巷道截割方案進行分析，具體方案1 模擬結果如下頁圖2 所示。在第一部分開挖時巷道圍巖巷幫出現一定程度應力集中，其中最大應力達到18.1 MPa，巷幫在側向壓力作用下容易出現較大位移，同時頂板處應力為0 且出現一定程度塑性區，頂板容易冒落，如下頁圖2-1 所示；在開挖第二部分時巷幫應力峰值由18.1 MPa 增至19.3 MPa，如下頁圖2-2 所示；開挖第三部分時拱頂位置出現不同程度應力集中，巷幫應力峰值由19.3 MPa 增至22.5 MPa，如圖2-3 所示；開挖第四部分后圍巖應力呈對稱分布狀態，應力集中區域有所減少，如圖2-4 所示。巷道采用此種開挖方案時對圍巖擾動較為明顯，待巷道掘進完成且應力重新分布過程中，圍巖容易出現較大變形甚至頂板出現塌方問題。

圖2 方案1 圍巖應力（MPa）分布云圖

具體按照方案2 掘進時圍巖應力分布云圖如圖3 所示。在第一步開挖時，巷道圍巖出現一定程度應力集中，其中應力峰值位于巷幫位置，最大為8.2 MPa，明顯低于方案1 中18.1 MPa 應力集中峰值，具體如圖3-1 所示；第二步開挖時圍巖應力進一步增加，由8.2 MPa 增至10.0 MPa，應力峰值向圍巖深部轉移，且圍巖塑形區分布范圍增加不明顯，具體如圖3-2 所示；第三步開挖后巷道巷幫圍巖應力集中基本消失，幫到右側上部幫角位置塑性區發育，容易出現垮落，具體如圖3-3 所示；第四步開挖后圍巖應力重新分布，應力峰值位置向圍巖深部位置轉移，塑性區有所增加，但是增加幅度不明顯，具體如圖3-4 所示。

圖3 方案2 圍巖應力（MPa）分布云圖

從模擬結果得知，巷道掘進采用方案2 時，圍巖應力集中程度更小且掘進對圍巖擾動不明顯，有助于提高圍巖穩定性，進而提升圍巖掘進效率。

2.3 圍巖支護技術方案

圍巖支護參數會直接影響支護耗時，進而影響掘進效率。依據11203 運輸巷現場實際情況，采用合理的支護方案不僅可滿足圍巖控制需求而且可降低支護占用時間，為掘進贏取時間。11203 運輸巷采用先截割底部后截割上部方式掘進，根據巷道掘進特點確定支護方案，支護斷面如圖4 所示。由于巷道底板為泥巖，在地應力及開挖等影響下，容易出現底鼓問題，因此在底板及幫角位置采用錨桿、錨索強化支護。

圖4 巷道圍巖支護方案（單位：mm）

具體圍巖支護參數為：在綜掘機截割破煤巖后，首先在巷道頂板及巷幫鋪設網孔100 mm 金屬網，規格2 350 mm×1 050 mm。頂板支護用預應力錨桿（規格22 mm×3 000 mm）配合鋼拱架支護，間排距均為800 mm；在頂板錨桿位置按照45°外插角施工2 根中空注漿錨索（規格22 mm×4 500 mm），注入水泥漿。巷幫錨桿（規格22 mm×2 500 mm）間排距為1 000 mm、1 000 mm，上、下部錨桿與頂板、底板間隔分別為500 mm、800 mm。底板錨桿（規格22 mm×2 500 mm）按照間排距1 500 mm、1 500 mm 布置，幫角采用中空注漿錨索（規格22 mm×4 500 mm）進行加固。

3 結語

11203 運輸巷為半煤巖巷道，巷道斷面大且需要破底掘進，巷道掘進期間受到地應力、開挖擾動等影響，出現圍巖失穩或變形量大等問題。為提高巷道掘進效率，根據11203 運輸巷現場條件，采用數值模擬技術對綜掘機截割破巖方案進行分析，并最終確定掘進方案。

依據現場圍巖特征，對支護參數進行設計。現場應用后，11203 巷道掘進期間圍巖始終保持穩定，未出現圍巖失穩或者頂板冒落等不良情況。同時圍巖變形較小，底鼓在15 mm 以內，底鼓不會給掘進及使用帶來制約。巷道掘進進尺可保持260 m/月，在確保圍巖穩定及掘進安全前提下，實現了快速掘進。