深井復雜地質條件下中厚煤層巷道高效快支快掘探索

李德寶

（中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽 潁上 236200 ）

1 概況

劉莊井田位于安徽省阜陽市潁上縣，核定生產能力1100 萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井，水文地質類型為復雜型，采用立井、主要石門、集中大巷、分區開拓的開拓方式，走向（傾向）長壁布置工作面。以F25 斷層為界，分東、西兩翼，東翼一水平標高為-762 m，西翼一水平標高為-747 m。131102軌道順槽西接1311 采區集中上山，東至迪溝安置區保護煤柱，南為131102 未采工作面，北近11-2煤層露頭防水煤柱線。131102 軌道順槽平面布置圖如圖1。

該巷道施工范圍內總體形態為一單斜構造，煤巖層走向100°～120°，傾向190°～210°。131102 軌道順槽揭露的11-2 煤，厚1.48～3.10 m，煤層結構簡單。煤層基本頂為平均7.63 m 厚的細砂巖，直接頂為砂質泥巖，屬中硬偏堅硬覆巖類型。11-2 煤直接頂板穩定性分類見表1。

圖1 131102 軌道順槽平面布置圖

11-2 煤頂底板砂巖裂隙水是巷道掘進期間的直接充水水源，工作面正常涌水量為10～15 m3/h，最大涌水量為30.2 m3/h。

表1 11-2 煤直接頂板穩定性分類表

2 支護參數優化

2.1 支護參數的確定

（1）根據懸吊及組合梁理論及現場地質資料分析，原設計的錨桿+錨索聯合支護長度跨過了主裂隙和離層位置，能夠主動及時地調動深部圍巖的自承能力，抑制了淺部圍巖裂紋擴張和離層的繼續。根據巷道圍巖控制的效果，在滿足支護強度的前提下加大錨桿、錨索間排距，可以提升支護速度。

錨桿選用規格為Ф22 mm、L=2500 mm 的高預應力高強度螺紋鋼樹脂錨桿代替原普通左旋金屬錨桿，間排距由原800 mm×800 mm、每排17 根調整為900 mm×900 mm、每排15 根。

錨索選用直徑21.8 mm、長度6200 mm 的預應力鋼絞線制作。錨索間排距1500 mm×1200 mm 調整為1500 mm×1800 mm。

（2）采用計算法校核優化后支護參數

① 按錨桿所能懸吊的重量校核錨桿的間排距

每根錨桿懸吊的巖體重量G=rL2a2，錨桿錨固力Q 應能承擔G 的重量。為安全起見，再考慮安全系數k，取k=2，即kG ＜Q，解算得：

式中：a 為錨桿間排距，m；r 為巖體比重，取27.4 kN/m3；Q 為錨固力，巖層中取100 kN，煤層中取50 kN；L2為有效長度（頂錨桿取免壓拱高b，幫錨桿取煤幫破碎深度c），m。

頂部錨桿：

a ＜[Q/(krL2)]1/2

=[100/(2×27.4×1.064]1/2=1.310 m；

幫部錨桿：

a ＜[Q/(krL2)]1/2

=[50/(2×27.4×0.626]1/2=1.207 m。

根據計算結果，所選間排距900 mm×900 mm參數均滿足要求。

② 校核錨索排距

用錨索將錨桿加固的“組合拱”整體懸吊于堅硬的基本頂砂巖，冒落方式按最嚴重的冒落高度大于錨桿長度的直接頂整體冒落考慮。錨索排距：

式中：L 為錨索排距，m；B 為巷道最大冒落寬度，取6.2 m；H 為巷道冒落高度，按最嚴重的冒高，取2.3 m；r 為巖體比重，取27.4 kN/m3；F2為錨索極限承載力，取583 kN；n 為錨索數，取5。

通過以上計算得，L=3.73 m，所選的錨索排距取1.8 m 小于計算值，故滿足設計要求。

2.2 支護效果

為監測巷道支護效果，施工期間采用YHW300本安型圍巖位移測定儀（數顯）+MCS-400 礦用錨桿（索）測力計+GYW300/ZKBY-4 多點位移計+信號點柱進行聯合監測巷道礦壓顯現情況。131102軌道順槽離層量、位移量曲線圖如圖2。

圖2 131102 軌道順槽離層量、位移量曲線圖

通過礦壓數據觀測結果、信號點柱、巷道圍巖目測情況分析，131102 軌道順槽礦壓測點數值變化不大，均在正常變化范圍之內，說明該巷道優化后的支護強度滿足要求。

3 施工工藝優化及配套裝備運用

3.1 “大-小”循環多工序并行作業

（1）基于“大-小”循環施工工藝中“最小化”和“最優化”的理念，在確保掘進巷道迎頭安全的情況下，使得迎頭工程量最小化、人員組織最優化。小循環：一個小班完成多個小循環。割煤、運煤、鋪頂網、支護頂部錨桿，支護幫部錨桿，其中割煤與支護平行作業；大循環：沿風水管路與皮帶，采用CMM2-24 型液壓錨桿（索）鉆車補打幫部錨索，WPZ-55/900 型煤礦用巷道修復機施工下臺階。

（2） 應用“掘進機施工上臺階+臥底機施工下臺階”快速掘進工藝。131102 軌道順槽掘寬6.2 m，掘高為4.5 m，采用EBZ-200C 型掘進機施工上臺階（3.6 m），WPZ-55/900 型煤礦用巷道修復機施工下臺階巷掘進（0.9 m），降低巷道初期掘進施工高度，既保障了掘進期間施工安全，又加快了施工進度。迎頭掘進施工的同時，后方平行作業，達到了多工序平行作業，有效節約進尺循環時間。

（3）建立“掘進機+液壓錨桿鉆車+單軌吊”掘、支、運一體化作業線。131102 軌道順槽掘進工作面配備CMM2-24 型液壓錨桿（索）鉆車代替風動MQT-130 錨桿（索）鉆機施工支護錨索及吊掛錨桿，提高鉆進效率的同時降低了勞動強度。采用DZ2200(3+2+3)型柴油機單軌吊打運，實現連續不間斷運輸。

（4）優化掘進附屬工程。推廣應用履帶式鉆機，堅持鉆機緊追綜掘機，取消巷幫鉆場，做到“隨掘隨打”、“追機作業”，減少掘進附屬工程的同時，降低掘進后方交叉影響。

（5）優化臨時支護。使用吊環式前探梁（圖3）進行臨時支護，代替原戴帽點柱支護方式。臨時支護采用3 根前探梁，前探梁為 3.3 m 長的DN50 鋼管，使用吊環進行吊掛，每根前探梁配3 個吊環，杜絕空頂作業。

圖3 吊環式前探梁示意圖

3.2 施工工藝優化效果

通過施工工藝優化、配套機電設備的使用，可以在有限人力資源的情況下減少迎頭掘進施工時間，增加進尺循環次數。經現場統計數據，小班單進由4.8 m 提高到7.2 m，實現快速掘進的目的。施工隊伍工序時間統計表見表2。

表2 劉莊煤礦施工隊伍工序時間統計表

4 結論

針對中厚煤巷的掘進作業，通過支護參數、施工工藝優化及配套設備升級，實現了煤巷快速掘進技術、裝備、工藝的突破，有效解決了煤礦中厚煤層巷道高效快速掘進的重大需求，實現礦井降本提效的目的。