大斷面煤巷快速掘進工藝及參數優化研究

張喜文 段其濤 徐祝賀

（1.神華神東煤炭集團石圪臺煤礦，陜西省榆林市，719000；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

1 引言

神東煤炭集團作為我國最大的煤炭生產基地，截至2012 年11 月13 日，累計生產原煤202.24 Mt／a；截至12月31日，累計生產商品煤213.77 Mt／a。隨著產能的不斷擴大，對采掘巷道的快速掘進提出了更高要求，以原有掘進機為代表的掘進模式已不能滿足神東礦區快速掘進的現狀，正在被連續采煤機+梭車+錨桿機為代表的高效掘進配套設備和技術所替代。在支護設計上，廣泛采用高強度預應力錨桿+錨索聯合支護技術。進一步探索研究了大斷面煤巷合理支護參數設計和掘進工藝的優化，實現了煤巷的快速掘進，為神東礦區建設世界一流煤炭企業起到重要的技術保障作用。

2 工作面概況

2.1 31203主輔運輸平巷概況

石圪臺煤礦作為神東煤炭集團的主力生產礦井之一，2012 年產量達12.12 Mt，掘進進尺56721.3m，主采煤層為12煤、22煤和31煤。

31203工作面是31 煤水平二盤區掘進的第三個工作面，采用連續采煤機沿煤層底板進行雙巷同時掘進。其北側為31 煤回風大巷，西側為31202工作面，其余方向均為實體煤，四周無采動影響，巷道布置如圖1所示。地面標高1184.1～1234m，煤層底板標高為1087～1096m，埋深96～138m，屬于淺埋煤層開采，所掘巷道均為矩形，具體巷道斷面情況見表1。

表1 31203工作面雙巷掘進主要巷道斷面

2.2 地質基本概況

31203工作面煤厚3.7～4.4 m，煤層總體趨勢為東高西低，傾角1°～3°。直接頂為灰白色細粒砂巖、中粒砂巖、灰色粉砂巖，具水平層理，厚度1.8～12.5m，平均厚度3.5m；基本頂為灰色砂質泥巖、粉砂巖，灰色厚層狀，不顯層理。中間夾有1.12m 灰白色細砂巖，厚度8.15～25.6m，平均厚度15.2m；直接底巖性為灰色砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖，灰色夾泥巖薄層及煤線，含植物葉片碎屑化石，厚度3.6～14.1 m，平均厚度8.7m。

圖1 31203工作面雙巷掘進巷道布置示意圖

從運輸平巷開口819 m 至開切眼范圍內，工作面上部為原天隆22 煤采空區和22402 采空區。采空區內積水量約1.5×106m3，預計單頭正常涌水量為50m3／h，最大涌水量為120m3／h。掘進時應先探后掘，保證水平方向安全距離30 m，垂直方向安全距離15 m，并加大工作面排水能力，做好防排水工作。

在工作面整個掘進過程中，絕對瓦斯涌出量為0.32m3／min，甲烷含量0.42～0.56m3／t，CO2含量0.028～1.23 m3／t，屬低瓦斯采區，對掘進和回采無大的影響。

3 支護參數設計

支護參數的設計參考了文獻 ［5-9］，具體如下：

3.1 錨桿參數設計

（1）頂錨桿長度

按廣義懸吊理論，頂錨桿長度為

式中：L——錨桿長度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系數，一般取2；

L1——錨桿錨入穩定巖層深度，一般按經驗取0.3m；

L2——錨桿在巷道中的外露長度，不超過0.05m。

其中：

B 為巷道開掘寬度，該工作面巷道最大寬度為機頭硐室段，取5.6m；kx為頂板巖性系數，Ⅲ類中等穩定巖層，取1.1；fr為頂板巖層普氏系數，粉砂巖取4.2。

將上述各參數代入式 （2）中進行計算，可得H=0.606m。則頂錨桿長度為L≥1.5×0.606+0.3+0.05=1.562m。

（2）錨桿直徑

由：

得錨桿直徑的計算公式為

式中：P——錨桿桿體的承載力，螺紋鋼錨桿 （16 Mn）錨固力取86kN／根；

?t——桿體抗拉強度，螺紋鋼錨桿 （16 Mn）抗拉強度取520 MPa。

則：

考慮直接頂巖性及上覆采空區因素，選用?18 mm×2100mm 的左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，滿足支護要求。

（3）錨桿間排距D

錨桿間排距的幾何平均數為

式中：k錨——錨固方式系數，加長錨取1.2；

k護——護頂方式系數，鋼筋網片取1.05；

I——巖體完整性系數，查詢GB50021—2001《巖土工程勘察規范》和GB50218—1994 《工程巖體分級標準》，取0.75；

fr——圍巖普氏系數，頂板粉砂巖取4.2。

將以上數據代入式 （4）中，得D =1.06 m；取安全系數K 為1.13，可得頂錨桿間距為1.2m，每排布置5根錨桿。

通過懸吊理論公式進行驗算：

式中：a——錨桿間排距，m；

P——錨桿設計錨固力，取86kN／根；

H——冒落拱高度，取0.606m；

r——被懸吊粉砂巖的重力密度，取23kN／m3；

因此，選擇錨桿間排距為1.2 m×1.0m，符合巷道支護要求。

3.2 錨索參數設計

錨索參數設計具體如下：

（1）錨索錨固長度La

錨索采用具有一定彎曲柔性的鋼絞線，通過預先鉆出的鉆孔，以一定的方式錨固在圍巖深部，外露端由工作錨通過壓緊托盤對圍巖進行加固補強。錨索應布置在堅硬頂板的基本頂內，因此，錨固長度La應滿足：

式中：La——錨索的錨固長度，mm；

d1——錨索體直徑，取17.8mm；

fst——錨索體設計 抗拉強度，取1860 N／mm2；

fcs——錨索與錨固劑的設計黏結強度，取1.0N／mm2；

k——安全系數，取1.5。

將有關數據代入式 （6）中，可得La=1241.5 mm。

根據工程實踐及錨固劑生產規格，取錨固長度為1500mm，使用3根CK2350型樹脂錨固劑。鉆孔直徑為28mm，則實際錨固長度為

（2）錨索長度L

按懸吊理論計算錨索長度參數，首先確定潛在破壞范圍，h=1.5 B。其中，B 為巷道寬度，h=1.5×5.4=8.1m。按不完全垮落考慮，其潛在的垮落范圍為h′，錨索最小長度按不完全垮落計算，則式中：La——錨索錨固長度，取1.5m；

h′——3.5m 厚的中粗粒砂巖直接頂；

L1——錨索外露長度，根據經驗取0.15m。

將以上參數取值代入式 （7）中，得L索min為5.15m，則設計錨索長度為6.5 m （安全系數為1.26），滿足支護要求。

（3）錨索排距a

根據錨索加固機理，其間距的驗算公式為

式中：L——錨索間距，m；

B——巷道最大垮落寬度，5.6m；

H——巷道垮落高度，最嚴重垮落高度為錨桿長度，取2.1m；

r——巖體重度，2.35kN／m3；

L1——錨桿排距，1.0m；

F1——錨桿錨固力，50kN；

F2——錨索極限承載力，取337kN；

θ——錨桿與巷道頂板的夾角，90°；

n——錨索排數，取2。

將上述數據代入式 （8）中，得L ≤2×33.7／［5.6×2.1×2.35-2×5×sin90°／1］≈3.82 m。設計中取錨索間距為2 m，錨索排距3.0 m，滿足要求。

4 支護方案的確定

在理論計算及數值模擬 （略）的基礎上，針對31203工作面主輔運輸平巷的具體情況，設計出具體的支護方案，如圖2所示。

頂錨桿采用?18mm×2100mm 的左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，樹脂錨固。每根錨桿使用兩支CK2340樹脂錨固劑，錨固長度為800 mm；頂錨桿的預緊力矩不低于120N·m，其中靠煤幫的頂錨桿與巷道兩幫的距離均為300mm。

頂錨索采用?17.8mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線。錨索眼深6.2 m，錨索長度6.5 m，鉆孔直徑28mm；采用3支CK2350樹脂錨固劑進行加長錨固，錨固長度為1500 mm；采用與?17.8mm 鋼絞線相配套的鎖具鎖緊，預緊力不得低于140kN。

5 雙巷快速掘進工藝及優化

5.1 工作面主要設備及參數

31203工作面雙巷快速掘進采用與12CMI5-10D 型連續采煤機相配套的設備，其具體的參數見表2。

5.2 掘進工藝及施工方法

5.2.1 掘進工藝

如圖3所示為31203主輔運平巷雙巷快速掘進工藝。其具體掘進工藝如下：作業前安全檢查 （敲幫問頂、檢測瓦斯等氣體濃度），連續采煤機1進入已支護好的31203 輔運平巷進行切槽與采垛作業，完成掘進和落煤工藝，梭車3往返于連續采煤機1和破碎機6之間，完成運煤工序；破碎機6將大塊煤破碎，經帶式輸送機5運出連續采煤機掘進15m 達到一個循環進度后，調機到31203主運平巷繼續下一循環作業，四臂錨桿機2進入31203輔運平巷進行支護，支護完畢后接風筒。掘進過程中當巷道頂板比較破碎，出現鱗皮、活矸，裂隙、節理局部較發育或有沖刷構造時，循環進度調整為6～8m。鏟車4進入剛掘進完成的31203輔運平巷內清理浮煤和其他雜物，以確保巷道的暢通。

圖2 31203主輔運平巷支護設計圖

表2 31203工作面雙巷快速掘進主要設備技術參數

5.2.2 錨桿和錨索支護施工

40-RE-LMB-CWT 型錨桿機在連續采煤機掘進后形成的空頂區內進行支護，從外向里逐排進行，具體支護工藝如圖4所示。錨索支護一般滯后錨桿支護一個循環。頂煤厚度大于500mm 時，錨索滯后工作面距離不大于30 m，當頂煤厚度小于500mm 或頂板破碎易冒落時，應緊跟工作面并采取及時支護，錨索滯后工作面距離不大于14m，錨索具體支護工藝如圖5所示。

5.2.3 掘進工藝優化

神東礦區特有的雙巷快速掘進模式要求不斷對掘進工藝進行優化，以提高設備效率和單進水平。在實踐中掘進工藝優化方法具體包括：

（1）優化主輔回撤通道至大巷掘進工藝。即在31203主輔運平巷掘進至聯絡巷時，暫停向前掘進，而是返回掘進31204工作面的主副回撤通道。此工藝的優化，解決了下一工作面平巷開口段工序復雜、相互制約的問題；使下一個工作面可直接形成獨立通風，避免開切口初期存在串聯通風且少拆除2道聯絡巷密閉；可節省6d時間，按40 m／d計算，可以多進尺240m。

圖3 31203主輔運平巷雙巷快速掘進工藝

圖4 40-RE-LMB-CWT 型錨桿機支護工藝

圖5 錨索支護工藝

（2）采用斜聯絡巷掘進工藝，如圖3中的9所示。在以前的連采平巷掘進中，一般情況下每隔10個聯絡巷要留出一個直聯絡巷，并在聯絡巷口做4個半徑為3m×3m 的抹角，以便于澆筑混凝土底板和運送材料時進行調車。但直聯絡巷距離短 （一般為15m），再減去4個抹角長度，使聯絡巷間風門的距離小于8m，致使材料車或工程車掉頭時需同時打開兩道風門，存在極大的安全隱患。在長期實踐中，對直聯絡巷掘進工藝進行優化，創造出斜聯絡巷掘進工藝。該工藝的最大優點是增大了調車聯絡巷間的長度 （斜聯絡巷距離增大到18m），使材料車可進入風門內，避免兩道風門同時打開造成風流短路，保障了生產安全。同時，還減少了兩個抹角支護，加快了單進水平。

（3）提高連采機-梭車系統司機的業務技能，并加強設備管理，提升設備的運轉效能。充分發揮神東教培中心和石圪臺礦實操培訓基地的平臺作用，定期開展崗位練兵和技能比武大賽，促進員工實操和理論水平的提升。制定掘進工作面設備包機制，實行 “三專管理”，即專人保養、專人維修、專人操作。利用交接班時間對作業使用的機電設備、機具進行全面檢修，確保設備在良好狀態下運行，消除機電事故對巷道施工的影響。與礦調度指揮中心加強聯系，使設備綜合效率 （開機率）達93%～96%。

（4）創造多工序平行作業，縮短輔助工序時間。如錨桿機支護、連采機采煤、接風筒平行作業，連網與打錨桿平行作業，連采機割煤和備料平行作業，錨桿索支護、延伸皮帶、移破碎機平行作業等。

6 結論

31203主輔運輸平巷快速掘進采用上述方法進行施工，最大控頂距達16.2m。該工作面自2012年9月開始掘進，創出日進80.3m、班進44.8m 的新紀錄；人工效率達1.67m／ （工·d），雙巷月進尺完成1800m （開機率達95%），比支護優化前超額18.6%完成任務，形成工作面比原計劃提前16d，提高了單進水平，保證了工作面的正常接替。

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