千米深井巖石巷道快速綜掘施工工藝

2013-11-20 06:25:14雷成祥經來旺楊仁樹周克林張五一

中國礦業 2013年5期

雷成祥，經來旺，楊仁樹，周克林，張五一

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083；2.安徽理工大學，安徽淮南232001；3.淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽淮南232001）

我國東部地區經濟較發達，煤炭需求量大，其中東部的安徽、山東和中部的河南、河北等四省的煤炭儲量之和為2500億t以上，占全國探明保有儲量的26%。在魯西、安徽的兩淮、冀中、豫西等地有11處以上煤田，近900億t屬于深層資源，其深度通常在500～1200m，其中兩淮地區近幾年開拓的礦井深度均超1000m（如淮南礦業集團的謝一礦、朱集礦井、潘一東礦井，皖北煤電集團的朱集西礦井，淮北礦業股份公司的新湖煤礦等），超深的礦井帶來了許多新問題，如高瓦斯、高地壓、巖石軟化特征等，為了達到安全生產的目的，瓦斯的預先抽排成為了必須的手段，而抽排瓦斯需要增設較多的高低抽巷，這無疑增加了煤礦巖石巷道的掘進量，因此，在高地壓、軟巖的環境下實現快速掘進就顯得十分必要，巖石巷道的快速掘進不僅可以為瓦斯的預先抽排、工作面的盡早且安全的開采提供條件，而且可以為采區工作面的順利接替奠定基礎，為煤礦的提前投產創造條件。此外，煤礦巖石巷道的掘進速度與礦山建設的成本密切相關，掘進速度越快，成本越低。因此，實施煤礦巖石巷道快速掘砌技術研究具有很大的現實意義。本項目正是基于上述背景立項研究的。

近年來，關于巖巷快速掘進的的文獻很多，其中絕大多數是關于炮掘的[1－4]，也有少部分研究綜掘的[5－8]，還有一部分是從工程管理角度進行分析的[9]。但縱觀這些文獻均存在一個問題，即基本上是針對某一條巷道在某個月份的試驗研究成果，且巷道斷面和地壓均不是很大。本項目以淮南礦業（集團）有限公司謝一礦與朱集礦兩個千米深井為試驗礦井，采用下述先進的工藝模式取得了較好的成果，對我國超深礦井的機械化施工和有效支護技術的進一步研究具有較為重要的參考價值。

1 巖石巷道快速綜掘施工工藝模式

1.1 工藝模式概述

該工藝是以具體數字表示的一種工藝模式，即“1－3－2－2－2－1”，其中每一個數字均對應一特定的內容，涉及巖石巷道施工的各主要方面，具體包括循環進尺量、綜掘一次進尺與支護的關系、巷道支護方式、主要支護參數、綜掘機施工方法、排矸方式、每循環排矸次數等。該工藝模式追求的目標是施工進度的最大化，該工藝模式的研究基礎是施工機械化，該工藝模式研究的主導思想是最大限度地實現各工序平行作業。該工藝模式的具體構成如下。

1——綜掘機掘進1次，1500mm。

3——對應于綜掘機的1次掘進，安裝3排錨桿；頂部錨桿一次性錨固，錨桿排距500mm，間隔采用M型鋼帶和T型鋼帶。

2——幫部錨桿采用2次支護，錨索支護距迎頭10～20m。

2——第2個2是指綜掘機掘進時采用“分臺階施工法”。

2——最后一個2表示，綜掘機每循環排矸2次。

1——最后一個1表示，皮帶機頭處設置1個水平儲矸倉。

對應于錨桿二次支護，綜掘機掘進時采用分臺階施工法。

1.2 快速綜掘施工工藝主要內容剖析

1.2.1 應用綜掘機概述

本項目試驗巷道快速掘進使用的綜掘機均為國產半煤巖綜掘機，對應型號有3種，分別為：EBZ260、EBZ200H、EBZ160。其中，EBZ260型掘進機，適用于任意形狀斷面的煤巷、半煤巖、全巖（f≦8）的掘進工作，還可用于條件類似的其他礦山及工程施工巷道的掘進。EBZ200H型掘進機單刀力大，破巖過斷層能力強，載荷波動小，除塵效果好；在節理發育的地質狀況下，能有效、經濟的截割硬度80MPa的全巖斷面，最大定位截割斷面可達28m2。EBZ－160型掘進機具有生產效率高，掘進速度快，適應性強，調動靈活等優點，可用于含有瓦斯、煤塵或其它爆炸性混合氣體巷道的掘進工作，可掘巷道最大寬度5.0m，最大高度4.8m，可掘任意斷面形狀的巷道，適應巷道坡度±16°，可經濟切割單向抗壓硬度80MPa的煤巖，屬中重型懸臂式掘進機。

1.2.2 綜掘機作業方式

綜掘機作業方式與工藝模式中前3個具體數字相關，具體包含小班循環次數、單循環進尺，研究制定時需要細致地研究每循環對應的支護工作量、排矸工作量、延皮帶工作量、釘道和接風水管路工作量、綜掘機切割工作量、單循環內各工序之間時間和空間上的關系等。在綜合考慮了上述相關因素后，針對試驗巷道的地壓、巖性、施工隊伍技術水平，最后確定了如下綜掘作業方式。

綜掘機作業方式：每循環切割3排，每小班2個循環，循環進尺1.5m。對應的支護方式為錨桿間排距700mm×500mm，間隔采用M型鋼帶和T型鋼帶，頂部錨桿一次支護，幫部錨桿二次支護。巖性較穩定時，頂部錨索安裝滯后工作面10～20m；巖性較差時，頂部錨索緊跟迎頭施工。

采用上述作業方式，若循環率按照85%計算，實際日進尺可達7.65m；條件較好時，最高日進尺可達9m。

1.3 分臺階施工法

如圖1所示，綜掘機掘進時，迎頭留設長度10m的斜坡，掘進高度保持3m以內，切割臂抬升角度小，同時實現斜坡段幫頂錨桿錯茬施工，互不干擾，解決了頂幫矸石沿切割臂滾落造成的安全隱患。其次，圍巖強度許可的情況下拱基線以下幫部支護滯后迎頭20m，與迎頭施工可實現平行作業，將迎頭有限的作業空間“拉長”，工序間實現空間與時間上的平行作業。分臺階施工法除了上述優越性之外，還有如下幾個方面的優點。

1）便捷了頂部錨網的支護，使得總體支護時間減小25%左右。

2）斜坡的存在，保證了工作面施工現場巷道底板無積水，綜掘機進退自如，不會出現趴窩情況。

3）工作面迎頭高度較小，片幫隱患大大減小，工作面的安全性大幅提高。

4）斜坡的存在使得綜掘機排矸難度減小，排矸效率提高。

圖1 分臺階施工法示意圖

1.4 綜掘機二次排矸

工藝模式中的最后一個2表示每循環綜掘機排矸2次，即切割后將矸石先排掉一半并留下一半，留下的一半作為頂部錨桿（索）的施工平臺，可以有效的縮小工作面高度，便于頂部錨桿索的施工，大幅提高施工效率。頂部錨桿（索）施工完畢之后，再將另外一半矸石排掉。

1.5 設置臨時矸石倉

掘進機快速施工的關鍵是皮帶機實現連續排矸。為保證連續作業，在皮帶機頭處設置水平儲矸倉意義十分重大。臨時儲矸倉示意圖見圖2。臨時儲矸倉的設施需要考慮巷道斷面，對應于本項目試驗巷道，設計的儲矸倉尺寸為：長30m，寬2.5m，高度1.5m，容積112.5m3。隔矸墻用11＃礦用工字鋼做立柱，采用直徑16mm×110mm螺絲把5×50mm鋼板固定在立柱上。立柱預埋底板以下1.0m，用C30混凝土澆筑。儲矸倉內臥底300mm，采用24kg／m軌道按間距300mm鋪底。兩端用11＃工字鋼地錨固定，施工水泥地坪，上鋪10mm的鋼板，鋼板戧茬搭接地錨固定。

為使儲矸倉增加容量和防止耙裝機扒斗撞擊皮帶機頭，需增高皮帶機基礎1.0m。機頭采用Φ15.5mm鋼絲繩固定在兩根地錨（Φ22mm×2500mm錨桿）上，機尾采用打兩根地錨（Φ22mm×2500mm錨桿）、Φ15.5mm鋼絲繩固定。

圖2 臨時矸石倉示意圖

2 現場工業性試驗

現場試驗選擇了淮南礦業（集團）有限公司當時最深的兩個礦井，謝一礦深部礦井與朱集礦。其中謝一礦深部礦井，第一開采水平－960m，第二開采水平－1200m，第一水平鉛直地應力σv＝21.27MPa，最大水平地應力σH＝20.20MPa，最小水平地應力σh＝10.51MPa。巷道圍巖以砂質泥巖為主，巖石硬度基本處于f＝3.5～6的范圍。

朱集礦井第一開采水平－906m，第二開采水平－1070m，巷道圍巖主要為泥巖和粉砂巖，但以粉砂巖為主，其中泥巖f＝3.5～5.5；粉砂巖f＝6～8。絕大部分巷道處于粉砂巖范圍內。第一水平鉛直地應力為19MPa，最大水平地應力22MPa，最小水平地應力17MPa。

采用以上先進工藝與技術，自2007年8月開始，至2010年8月結束，37個月內共計完成了9條巷道的試驗研究，巷道深度范圍810～1100m，巷道平均斷面積18.61m2，巷道圍巖硬度值f＝3.5～8，平均月成巷速度153.78m／月，單月最高月進尺258m／月，具體如下。