甜水堡煤礦煤巷支護參數與設備工藝優化研究

孟鍵，朱長華，牛志軍，王旭鋒，呂昊

（1.華電煤業集團有限公司，北京 100001；2.甘肅萬勝礦業有限公司，甘肅 慶陽 745713；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學 江蘇省礦山地震監測工程實驗室，江蘇 徐州 221116；5.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750411）

0 引言

目前我國每年新掘巷道長度約為2 000 km，回采巷道占總量的80%左右[1-2]，由于掘進模式、掘進工藝、掘進裝備、支護形式與參數等不合理，巷道的掘進速度往往較低，大多礦井存在采掘接替緊張的局面，較大程度影響了煤炭的安全高效開采[3-6]。

我國學者對巷道的快速掘進技術進行了深入的研究與大量的工程實踐[7-11]。康紅普等[12-13]明確了圍巖強度、斷面尺寸、空頂距等是影響圍巖穩定性的主要因素，提出了以“掘進模式、掘進工藝、掘進裝備、支護形式及參數、掘進全系統”為主要優化方向的煤巷快速掘進技術。王國法等[14]明確了巷道掘進中地質探測裝備智能化程度低、探測精度低等問題，提出了構建智能綠色煤炭產業新體系的發展方向與措施。王步康[15]明確了標準缺失和落后已成為制約我國煤炭掘進技術與裝備發展的重要因素，預測了掘進技術與裝備未來發展的方向與趨勢。程建遠等[16]分析了“短掘短探”技術不能滿足巷道快速掘進的原因，提出了“定向長鉆孔+孔中物探”的“長掘長探”技術，可為巷道快速掘進提供可靠的地質保障。柏建彪等[17]、馬睿[18]明確了掘進巷道頂板應力與空頂距的關系，揭示了巷道空頂區頂板穩定性機理，優化了煤巷快速掘進工藝系統。吳擁政等[19]明確了掘進機與單體鉆機配合掘進方式的不足，通過升級連續自移式快速掘進支護裝置，將巷道掘進速度提升了65%。卓軍等[20]揭示了弱黏結復合頂板巷道掘進過程中的破壞機理，研發了巷道快速掘進掩護裝備。董慶等[21]提出了“錨網索+鋼帶”聯合支護技術，結合配套的MB670 掘錨一體機設備，實現了特厚煤層巷道安全高效掘進。郭俊生等[22]歸納了懸臂式掘進機及配套設備的現狀，提出了煤礦快速掘進技術體系。陳宇等[23]、陳大廣[24]明確了機載臨時支護安全性、錨護裝置相互干擾等是影響巷道快速掘進的主要因素，提出了快速掘進支護及工序優化方案。孫立虎等[25]優化了掘進支護配套裝備，將大傾角倒梯形回采巷道的最大月進尺提高了42.03%。

上述學者主要針對巷道快速掘進的影響因素、設備優化等進行了深入研究，對巷道空頂距、支護參數、施工工藝聯合優化的研究較少。本文以甘肅省環縣甜水堡煤礦2 號井1309 工作面回風巷為研究對象，針對巷道掘進速度慢等問題，采用現場調研、理論分析、數值模擬等方法，分析各工序用時特征，以耗時長的工序為重點解決方向，明確巷道的極限空頂距，獲得巷道的支護參數與圍巖穩定性的關系，優化配套掘進設備與施工工藝，從而提高巷道的掘進效率。

1 研究區域概況

1.1 工程概況

1309 工作面位于3 號煤，3 號煤厚度為1.1～4.1 m，平均厚度為2.88 m，煤層最大傾角為12～24°，平均傾角約為18°。巷道頂板和底板分別為細粒砂巖和砂質泥巖。1309 工作面回風巷綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 1309 工作面回風巷綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive bar chart of return airway in 1309 working face

1309 工作面回風巷采用梯形斷面，巷道寬4.2 m，高3.3 m（中線高），掘進斷面積為13.02 m2。巷道總長1 096 m，埋深400 m。

1.2 巷道各掘進工序用時特征

1309 工作面回風巷掘進工序用時占比如圖2 所示。可看出巷道的掘進、永久支護、臨時支護用時最長，占比分別為25.3%，49.9%，6.2%，永久支護時間較掘進時間增加97.23%。影響巷道掘進速度的主要工序為永久支護、掘進、臨時支護，因此需要針對這3 種工序進行優化。

圖2 不同工序用時占比Fig.2 The proportion of time spent on different processes

1.3 巷道原支護方案

1309 工作面回風巷為梯形巷道，原支護頂錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，每排6 根錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用φ21.8 mm×7 200 mm 鋼絞線，間排距為1 400 mm×2 000 mm；幫錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，每排9 根，間排距為800 mm×800 mm。巷道支護斷面如圖3 所示。

圖3 1309 工作面回風巷支護斷面Fig.3 Support section of return airway in 1309 working face

2 掘進工作面空頂距的確定

在巷道掘進過程中，空頂區頂板由工作面前方的煤壁、兩幫煤壁及后方的巷道共同支撐，因此將掘進工作面空頂區視作一個巖梁，如圖4 所示。其中NO，N'O'，OL，O'L'，ML，M'L'均為固支邊，MN，M'N'為簡支邊。

圖4 掘進工作面空頂區頂板力學模型Fig.4 Mechanical model of the roof in goaf area of excavation face

設巖梁上均勻分布荷載q，則巖梁內的應力分布為

式中：σx，σy分別為巷道寬度方向、掘進方向的正應力，MPa；x，y，z分別為巷道寬度方向、掘進方向、垂直方向的坐標，m；A為薄板的擾曲面系數；E為彈性模量，GPa；a為巷道寬度，m；μ為摩擦因數；b為頂板空頂距，m；τxy為切應力，MPa。

薄板的擾曲面系數A及薄板抗彎剛度D分別為

式中h為空頂區頂板巖體厚度，m。

分析空頂區頂板力學模型可知，空頂區頂板長邊受力最大，因此產生的撓度也最大。由式（1）可知，拉應力σy的大小決定了頂板的極限破斷值，σy大于空頂區頂板抗拉強度σt時，頂板出現冒落。

將z=-h/2 代入式（1），可得

將y=b/2 代入式（2），可得邊界處沿x方向最大拉應力：

將式（2）、式（3）代入式（5），可得掘進工作面頂板最大空頂距：

頂板所受載荷為

式中：γ為巖體平均體積力，γ=25 kN/m3；H為1309 工作面回風巷埋深，H=400 m。

由式（7）計算可得q=10 MPa。空頂區頂板巖體厚度h=3.48 m，抗拉強度σt=3.57 MPa，將相關數值代入式（6）可得bmax=3.25 m。參考相同地質條件、埋深等因素，選擇安全系數為1.4[12]，計算得到掘進工作面理論最大空頂距為2.32 m，考慮現場受設備、地質、工藝等因素影響，空頂距取2.0 m。

3 巷道支護參數優化

3.1 數值計算模型

根據1309 工作面回風巷工程地質條件及柱狀，建立1309 工作面回風巷數值計算模型，如圖5 所示。模型尺寸為60 m×60 m×50 m（長×寬×高），1309 工作面回風巷尺寸為4.2 m×3.3 m（寬×中線高）。

圖5 1309 工作面回風巷數值計算模型Fig.5 Numerical calculation model of return airway in 1309 working face

1309 工作面回風巷埋深為400 m，在模型上邊界施加9.28 MPa 垂直應力，在模型四周及下邊界施加位移約束。

基于1309 工作面回風巷煤巖體試樣物理力學參數與原始地質資料，進行反演計算，得到數值計算模型中煤巖體物理力學參數，見表1。

表1 數值計算模型中煤巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock in numerical calculation model

為明確掘進巷道的最佳支護方案，實現1309 工作面回風巷高效掘進，對不同錨桿間排距支護方案進行數值計算，并分析不同支護方案下巷道圍巖穩定性，具體模擬方案見表2。

表2 模擬支護方案Table 2 Different support simulation schemes

3.2 巷道圍巖應力分布特征

為了深入分析不同支護方案下巷道圍巖的應力分布特征，分別在巷道兩幫中部至模型左右邊界、巷道頂底板中部至上下邊界布置垂直應力、水平應力監測點。不同支護方案下巷道圍巖應力分布曲線如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖應力分布曲線Fig.6 Stress distribution curves of roadway surrounding rock

由圖6（a）可知，隨著遠離巷道幫部表面，巷道兩幫垂直應力表現出先增大后減小的變化趨勢。此外，方案1—方案6 中巷道左幫垂直應力最大值分別為13.50，13.80，13.81，13.84，13.86，14.50 MPa；巷道右幫垂直應力最大值分別為16.14，16.56，16.52，16.33，16.69，16.99 MPa。由圖6（b）可知，巷道頂板水平應力表現出先增大后減小的變化趨勢，而巷道底板水平應力表現出以下變化趨勢：先增大，后減小，再增至最大值，最后逐漸減小。此外，方案1—方案6 中頂板水平應力最大值分別為18.81，19.93，20.50，20.74，21.20，22.29 MPa；巷道底板水平應力最大值分別為23.40，22.10，21.83，21.79，21.48，19.52 MPa。

3.3 巷道圍巖位移分布特征

分別在巷道頂底板、兩幫向模型邊界布置垂直位移、水平位移監測點，得到巷道圍巖位移分布曲線，如圖7 所示。可看出隨著錨桿間排距增大，巷道頂底板及兩幫位移增大。方案1—方案6 中巷道頂板最大位移分別為63，73，98，110，136，168 mm；巷道底板最大位移分別為73，86，104，114，144，173 mm；巷道左幫最大位移分別為89，105，124，131，157，197 mm；巷道右幫最大位移分別為97，103，125，134，168，193 mm。

圖7 巷道圍巖位移分布曲線Fig.7 Distribution curves of displacement of roadway surrounding rock

3.4 巷道圍巖塑性區分布特征

不同支護方案下巷道圍巖塑性區的分布特征如圖8 所示。

從圖8 可看出，隨著錨桿間排距增大，巷道圍巖塑性區破壞范圍逐漸增大。方案1-方案6 中塑性區破壞最大深度分別為2.56，3.83，4.67，4.79，5.23，6.38 m。根據不同支護方案下巷道圍巖應力、變形、塑性區的分布特征，結合巷道高效掘進需求，認為頂錨桿與幫錨桿間排距均采用800 mm×1 000 mm 時圍巖控制效果最好，因此，方案3 為最合適的支護方案。

4 巷道高效掘進設備及工藝優化

4.1 掘進設備優化

1309 工作面回風巷原來使用的主要設備為EBZ200S 懸臂式掘進機、DSJ80 帶式輸送機、SGB620 刮板輸送機、MQT-130 風動錨桿機和YT-28 氣動式鑿巖機。現場掘進過程中，EBZ200S懸臂式掘進機存在故障率高、施工效率低等問題。結合1309 工作面回風巷的地質條件及刮板輸送機、帶式輸送機等原設備匹配性，優化掘進設備的原則為盡量不改變設備尺寸。最終將掘進機設備升級為大功率EBZ220B 懸臂式掘進機，與EBZ200S 懸臂式掘進機相比，其尺寸不變，僅增大了功率。EBZ220B懸臂式掘進機如圖9 所示。

圖9 EBZ220B 懸臂式掘進機Fig.9 EBZ220B boom-type roadheader

4.2 支護工藝優化

1）支護參數優化。錨桿間排距優化為800 mm×1 000 mm 時巷道圍巖控制效果較好，對應將錨索間排距由1 400 mm×1 600 mm 優化為1 400 mm×2 000 mm，錨桿（索）、藥卷等型號不變。巷道頂板錨桿索支護展開圖如圖10 所示。

圖10 巷道頂板錨桿（索）支護展開圖Fig.10 Expansion diagram of roadway roof support by anchor rod and cable

2）臨時支護優化。巷道掘進臨時支護由“前探梁+金屬網”組合配套的臨時支護設備優化為EBZ-220B 機載臨時支護裝置。該裝置支護長度為2 m，優化后不僅可提高臨時支護的安全性，還可增加臨時支護的效率。EBZ-220B 機載臨時支護裝置及其布置如圖11 所示。

圖11 EBZ-220B 機載臨時支護裝置及其布置Fig.11 EBZ220B airborne temporary support device and layout

4.3 施工工藝優化

通過合理安排工序流程，可最大程度實現各工序之間的交叉作業和平行作業，確保正規循環作業按時完成，提高工時效率。施工工藝優化措施：①掘進機截割期間，可同時進行金屬網連接、錨桿（索）及托盤配套檢查。②巷道永久支護期間，錨桿（索）進行同時支護。

5 試驗分析

在設備及施工工藝優化后，1309 工作面回風巷掘進循環進尺由原來的1.6 m 增加至2.0 m，最大日進尺由8 m 提高到10 m，巷道掘進速度提高了25%，優化效果良好。

在1309 工作面回風巷掘進期間布置3 個巷道圍巖位移監測站，采用十字布點法對巷道圍巖變形進行觀測，各測站之間相距50 m，測點布置如圖12 所示。監測時間為60 d，每2 d 測1 次。

圖12 巷道圍巖位移測點布置Fig.12 Layout of displacement measurement points for roadway surrounding rock

巷道圍巖變形量和現場變形情況分別如圖13、圖14 所示。

圖13 巷道圍巖變形特征Fig.13 Deformation features of surrounding rock in roadways

觀測40 d 后，巷道圍巖變形基本處于穩定狀態，此時3 個測站的巷道頂底板位移分別為215，182，160 mm，巷道幫部位移分別為226，200，192 mm。由上述工程實踐可知，對巷道掘進設備、支護參數、施工工藝進行優化后，巷道圍巖變形處于合理范圍內，巷道的掘進速度也得到了顯著提升。

6 結論

1）構建了掘進工作面空頂區頂板力學模型，結合1.4 的安全系數，計算得出掘進工作面的最大空頂距為2.32 m，考慮現場受設備、地質、施工工藝等因素影響，巷道空頂距最終取2.0 m。

2）分析了不同支護方案下的巷道圍巖應力、位移及塑性區破壞特征。數值計算結果表明，隨著巷道錨桿間排距增大，巷道圍巖的位移及塑性區增大，結合巷道高效掘進的需求，最終選取錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。

3）基于理論計算、數值模擬及巷道實際地質條件，優化了掘進機及施工工藝，循環進尺由1.6 m 增加至2.0 m，最大日進尺由8 m 提高至10 m，巷道掘進速度較原來提高了25%，巷道圍巖的最大變形量為226 mm。優化方案不僅保證了巷道的安全穩定，也顯著提高了巷道的掘進效率。