復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)技術(shù)研究

劉 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)公司， 山西 交城 030500）

0 引言

復(fù)合頂板巷道掘進(jìn)時(shí)，受到圍巖控制難度高、頂板力學(xué)性質(zhì)差以及破碎等問(wèn)題影響，巷道支護(hù)耗時(shí)較長(zhǎng)，在一定程度上制約了巷道掘進(jìn)效率[1-3]。同時(shí)由于煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)在一定程度上制約開采技術(shù)，煤炭高強(qiáng)度開采后導(dǎo)致采掘失穩(wěn)問(wèn)題較為突出。實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)，對(duì)提升煤炭生產(chǎn)效率有顯著促進(jìn)意義[4-5]。山西某礦7704 運(yùn)輸巷頂板為典型的復(fù)合頂板，圍巖采用高密度錨桿索支護(hù)，支護(hù)時(shí)間占整個(gè)掘進(jìn)時(shí)間的1/2 以上，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率偏低。以7704運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、掘進(jìn)及支護(hù)工藝，對(duì)制約巷道掘進(jìn)效率的因素進(jìn)行歸納分析，并針對(duì)性提出快速掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。

1 7704 運(yùn)輸巷概況

山西某礦核定產(chǎn)能為450 萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開采煤層包括2 號(hào)、3 號(hào)、7 號(hào)、11 號(hào)及13 號(hào)等，井田開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，煤層賦存穩(wěn)定。7704 綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為2 650 m，受區(qū)域斷層構(gòu)造影響，采面切眼有120 m、180 m、220 m 等規(guī)格，具體采面布置如圖1 所示。7704 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度2 660 m，沿著開采的7 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層厚度3.2 m，賦存較為穩(wěn)定，煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖及砂巖等為主，為承載能力及穩(wěn)定性相對(duì)較差的復(fù)合頂板。

圖1 7704 綜采工作面位置示意圖

7704 運(yùn)輸巷凈寬×凈高=4 800 mm×3 200 mm，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)圍巖，具體支護(hù)斷面如圖2 所示。頂板用規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿（布置間排距840 mm、900 mm）、規(guī)格Φ17.8 mm×7 200 mm錨索（布置間排距為2 520 mm、2 700 mm），并配合菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。巷幫用規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm（間排距900 mm、900 mm）支護(hù)，在采面幫采用高分子網(wǎng)護(hù)表，在煤柱幫使用菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。

圖2 運(yùn)輸巷原支護(hù)斷面（單位：mm）

2 制約巷道快速掘進(jìn)因素分析

2.1 地質(zhì)條件

巷道所在區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件決定掘進(jìn)、支護(hù)等難易程度，當(dāng)巷道掘進(jìn)遇到斷層、煤相變化或者夾矸等情況時(shí)會(huì)進(jìn)一步影響巷道掘進(jìn)。7704 運(yùn)輸巷沿著7 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，煤層頂板為復(fù)合頂板，影響支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)耗時(shí)；7 號(hào)煤層內(nèi)有1～3 層夾矸，夾矸層厚度合計(jì)為0.1～0.25 m，對(duì)掘進(jìn)有一定影響。

2.2 掘進(jìn)及支護(hù)工藝

7704 運(yùn)輸巷采用EBZ-160 型掘進(jìn)機(jī)破煤巖并配合單體錨桿鉆機(jī)支護(hù)，掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)交替進(jìn)行。EBZ-160 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)單個(gè)排距后采用臨時(shí)支護(hù)設(shè)備護(hù)頂，錨桿鉆機(jī)開始鉆進(jìn)錨桿（索）鉆孔并進(jìn)行永久支護(hù)；支護(hù)完成后進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)及支護(hù)。巷道掘進(jìn)涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)間相互高效配合是實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)的前提。7704 運(yùn)輸巷巷道頂板采用4 根長(zhǎng)度2 m錨桿、2 根長(zhǎng)度7.2 m 錨索，巷幫布置8 根長(zhǎng)度2 m 錨桿，根據(jù)錨桿、錨索布置間排距計(jì)算得到每米巷道需要鉆進(jìn)32 m 錨桿（索）鉆孔，鉆孔深度越深則鉆進(jìn)耗時(shí)越長(zhǎng)，同時(shí)巷道整個(gè)斷面錨桿（索）鉆孔鉆進(jìn)工程量偏高，導(dǎo)致支護(hù)耗時(shí)偏長(zhǎng)，降低了掘進(jìn)效率。

7704 運(yùn)輸巷采用“三八制”，采用掘一錨一方式，在現(xiàn)有掘進(jìn)及支護(hù)方式下巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均為260m/月，無(wú)法滿足采面煤炭高效回采需要。

3 巷道快速掘進(jìn)技術(shù)

3.1 支護(hù)優(yōu)化

為提高巷道掘進(jìn)效率，依據(jù)7704 運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，提出采用柔性錨桿對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)為：巷道頂板采用4 根規(guī)格MSGR-1860/18 型柔性錨桿（Φ17.8 mm×4 080 mm），按照1 400 mm、1 200 mm間排距布置。柔性錨桿采用2 支型號(hào)CK2360 樹脂錨固劑錨固，確保錨固力在150 kN以上，托盤為規(guī)格300 mm×300 mm×10 mm 鋼托盤，配合采用W 鋼帶、金屬網(wǎng)強(qiáng)化頂板支護(hù)；頂板用柔性錨桿，外露長(zhǎng)度控制在250 mm 以內(nèi)，錨桿支護(hù)后施加250 N·m 以上扭矩。頂板用金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，長(zhǎng)、寬分別為3 500 mm、1 300 mm。

巷道兩幫采用4 根規(guī)格均為Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，按照900 mm、1 200 mm 間排距布置；巷幫錨桿錨固用1 支CK2360 樹脂錨固劑錨固，確保錨固力在50kN以上，使用的托盤為規(guī)格150mm×150 mm×10 mm 拱形鋼托盤；錨桿外露長(zhǎng)度控制在50 mm 以內(nèi)，錨桿布置完成后施加150 N·m 扭矩。采面幫、煤柱幫分別采用高分子網(wǎng)、菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。具體巷道優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面如圖3 所示。通過(guò)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減少圍巖支護(hù)耗時(shí)目的。

圖3 優(yōu)化后支護(hù)斷面（單位：mm）

3.2 快速掘進(jìn)工藝

在7704 運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)采用“大- 小”循環(huán)施工工藝，在巷道迎頭安全情況下，使得迎頭人員組織最優(yōu)、工程量最小。考慮運(yùn)輸巷采用綜掘機(jī)配合錨桿鉆機(jī)掘進(jìn)，具體多工序平行作業(yè)方式為：

小循環(huán)：每個(gè)小班完成多個(gè)小循環(huán)施工，小循環(huán)涉及割煤，運(yùn)輸，鋪設(shè)支護(hù)金屬網(wǎng)、頂部柔性錨桿以及巷幫錨桿等，其中割煤、支護(hù)工作順序開展。

小循環(huán)實(shí)施工藝如下：

1）割煤。綜掘機(jī)完成第一次割煤，割煤寬度、深度分別為3.2 m、1.2 m；綜掘機(jī)向后移機(jī)，并將截割頭布置在迎頭煤壁位置；綜掘機(jī)進(jìn)行第二次割煤，割煤寬度、深度分別為1.6 m、1.2 m。具體綜掘機(jī)割煤工藝如圖4 所示。

圖4 綜掘機(jī)割煤工藝（單位：mm）

2）頂板及巷幫支護(hù)。綜掘機(jī)完成第二次割煤后移1.2 m，截割頭落地，開始對(duì)頂板及巷幫進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)開始時(shí)先支護(hù)頂板柔性錨桿以及兩幫靠近頂板錨桿，其余巷幫錨桿滯后頂板柔性錨桿2 排布置，使得迎頭頂部錨桿與滯后的巷幫錨桿可平行工作。

3）重復(fù)上述割煤、移機(jī)以及圍巖支護(hù)過(guò)程，完成小循環(huán)掘進(jìn)。大循環(huán)：清底、掃尾、延長(zhǎng)輸送皮帶以及風(fēng)水管路，依據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征、圍巖巖性等完成局部巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)工作。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在7704 運(yùn)輸巷采用快速掘進(jìn)工藝后，巷道掘進(jìn)效率顯著提升，圍巖支護(hù)耗時(shí)有所降低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺平均為389 m，綜合掘進(jìn)速度提升53.5%，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。

對(duì)圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，布置測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)圍巖變形，具體結(jié)果如圖5 所示。從圖5 中看出，采用優(yōu)化后的圍巖支護(hù)參數(shù)，隨著與掘進(jìn)迎頭距離增加（掘進(jìn)時(shí)間增加），巷道頂板、兩幫收斂量均呈現(xiàn)集聚增加- 平穩(wěn)趨勢(shì)，在距離掘進(jìn)迎頭80 m 以后圍巖變形基本不再增加，其中兩幫、頂板最大變形量分別為24mm、19mm，表明采用的支護(hù)方案可實(shí)現(xiàn)圍巖有效控制。具體巷道現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況如圖6 所示。

圖5 圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

圖6 巷道現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)7704 運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、掘進(jìn)及圍巖支護(hù)工藝等，對(duì)制約巷道快速掘進(jìn)因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)圍巖支護(hù)耗時(shí)長(zhǎng)、地質(zhì)條件差、掘進(jìn)各工序配合有待優(yōu)化等是導(dǎo)致掘進(jìn)效率較低的主要原因。提出將柔性錨桿應(yīng)用到7704 運(yùn)輸巷支護(hù)中，替代錨桿+錨索方式對(duì)復(fù)合頂板進(jìn)行支護(hù)，以便達(dá)到提高支護(hù)效率、降低支護(hù)耗時(shí)目的；對(duì)掘進(jìn)工藝優(yōu)化，小循環(huán)、大循環(huán)部分工序平行作業(yè)，提升掘進(jìn)效率。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺提升至389 m，同時(shí)巷道圍巖變形穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合頂板巷道快速掘進(jìn)。