特厚煤層大斷面煤巷快速掘進技術探討

趙 陽

(大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000)

1 工程背景

馬道頭煤業為生產能力1000萬t/a的特大型礦井，2404工作面是其北四盤區首采工作面，開采煤層為3～5號合并煤層，煤層最厚達26.3 m，平均厚度15.0 m，平均傾角為7°，為單一傾斜構造煤層，煤層頂底板巖性特征見表1所示。2404工作面內存在DF16、DF61、DF59等6條斷層，斷層落差為3.0～5.0 m，工作面不存在采空區積水隱患，處于帶壓開采相對安全區域，正常涌水量為5.0 m3/d。

表1 煤層頂底板巖性特征

2404工作面膠帶巷沿煤層底板掘進，掘進斷面寬×高=5.5 m×3.6 m，掘進斷面積19.8 m2，巷道埋深300 m，總長度4 175 m。根據對巷道頂板煤層的鉆孔探測，頂煤厚度平均11.0 m，縱向裂隙較發育，橫向裂隙較少，巷道整體處于中低地應力范圍內。

2 原煤巷掘進存在的主要問題

礦井生產能力大，對工作面產量效率要求高，2404工作面膠帶巷沿煤層底板掘進，頂煤厚度大，掘進過程中巷道穩定性控制要求高，采掘接續較為緊張[1-2]。針對2404膠帶巷已掘段存在的問題，通過分析，認為主要是支護參數不合理和施工工藝效率低兩方面因素。

2.1 支護參數不合理

2404工作面支護方式：頂部、幫部均采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800 mm×900 mm，幫錨桿間排距1 000 mm×900 mm，錨固段1 500 mm，預緊力矩≥200 N·m，錨固力≥90 kN。錨索為D17.8 mm×8 300 mm的預應力鋼絞線，間排距1 800 mm×1 800 mm，“二二”布置，角錨索為D17.8 mm×4 500 mm的預應力鋼絞線，間排距5 400 mm×1 800 mm，“二二”布置，錨固段2 100 mm，錨固力≥150 kN。

從實際應用情況來看，原支護方式的錨桿預緊力矩較小，在地應力較小、煤體強度較大情況下不能有效減弱巷道偏應力的作用；其次，支護占比循環時間較多，造成采掘連續性不強，可以適當減小支護密度；再者，煤體頂板裂隙發育量不大，可以適當減小錨桿索長度，以達到加快支護進程的目的。

2.2 施工工藝效率低

2404工作面膠帶巷已掘段使用的是普通縱軸式掘進機與單體鉆機配合的施工工藝。掘進機循環進尺為0.8 m、循環時間30 min，截割掉的煤由裝載扒機轉運至轉載機，進而放置在膠帶輸送機上，但支護要求巷道底部需留有部分煤矸石，因此支護后機組需復返裝載或人工排矸，耗時耗力、效率較低[3]，整體單循環掘進時間達110 min。巷道采用單體鉆機支護時，人工操作風動鉆機進行打眼、裝藥、錨固等流程，手動作業危險系數高[4]。按照現代化礦井“一井一面”的產量標準，2404工作面年掘進進尺需要在3 000 m以上，而原掘進施工月進尺為240 m，不能夠滿足高產高效工作面要求。

3 掘錨一體機快速掘進技術

針對2404工作面存在的主要問題，為提高掘進效率，引進采用MB670掘錨一體機進行膠帶巷的進尺及支護優化，以提高進尺速度，控制巷道穩定，增加經濟效益。

3.1 支護參數優化

采用掘錨一體機后的優化支護斷面如圖1所示。

1) 頂板支護：錨桿索全部由掘錨機組打設，錨桿規格為D20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm(中間兩根間距1 100 mm)，用1支MSCK2360樹脂錨固劑加長錨固，錨固段830 mm，錨固力≥150 kN，預緊力≥300 N·m，全部垂直頂板打設。托盤規格150 mm×150 mm×10 mm，W鋼帶規格280 mm×450 mm×4 mm，網片規格3 200 mm×1 200 mm，網孔規格100 mm×100mm，要求雙邊孔孔相聯。補強錨索規格為D17.8 mm×6 300 mm，錨索間排距2 000 mm×2 000 mm，距巷幫1 750 mm，樹脂錨固劑為1支MSCK2360和2支MSZ2360，錨固段1 653 mm，托板規格300 mm×300 mm×12 mm，預緊力≥150 kN。

2) 巷幫支護：上部2根幫錨桿采用掘錨機組打設，下部兩根幫錨桿采用人工打設。錨桿規格同頂部錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，最上最下兩根錨桿均與水平方向成20°布置。

3.2 施工工藝優化

采用掘錨一體機進行巷道掘進后，根據設備結構特點和人機匹配原則，提出頂板和幫部錨桿空間不成排支護的截割支護方案[5]。具體而言，就是在掘進過程中不追求頂錨桿和幫錨桿的對齊性，機組不后退，達到快速掘進的目的。

首先，頂錨桿和幫錨桿不對齊支護形式下，頂錨桿領先幫錨桿300 mm，此時產生的支護應力場經研究與對齊支護產生的應力場基本一致，此時幫部也可以及時支護，有利于人機關系的協調性。再者，調整割煤工藝(如圖2所示)，采用在巷道煤壁中部進刀，上下分兩次截割成形，此時空頂距由1.8 m減少為0.8 m，空頂面積大幅減小，避免出現漏頂現象。

3.3 施工技術要求

為保證掘錨一體機施工質量，施工過程中需要注意以下幾點：

1) 巷道掘錨一體機掘進尺寸超挖控制在200 mm以內，一次成型，錨桿索間排距誤差不得超過設計值±50 mm；

2) 根據掘錨機組錨桿支護系統實際情況，頂錨桿空頂距設為2.5 m，上部2根幫錨桿空幫距不大于3.0 m，下部2根幫錨桿滯后掘進迎頭不大于20 m。遇到頂板破碎、頂板淋水等條件時要及時補打錨索。

3) 掘進過程中，每隔100 m在頂板安裝一個離層指示儀，觀測圍巖變形情況。

4 掘錨一體機快速掘進應用效果

1) 巷道變形情況。采用掘錨一體機進行快速掘進施工后，在新掘段布置圍巖監測點，位移監測曲線如圖3所示。從監測曲線可知，監測周期前30 d，頂板下沉量、兩幫收縮量均成較大速率增長，最大變形速率在15 mm/d，掘進40 d后，頂板下沉量穩定在45 mm，兩幫收縮量穩定在49 mm，底鼓量穩定在11 mm，一直持續到監測周期120 d結束，說明巷道整體控制效果較好。

2) 效益分析。實施掘錨一體機進行煤巷掘進后，單循環掘進時間由原來的110 min減少為45 min，降幅達59%，日施工循環從10個增加到16個，增幅60%，平均月進尺從240 m提高到400 m，增幅66.7%；日循環進度由8.0 m增加至13.0 m，增幅62.5%，人均效率從0.08 m提高到0.125 m，增幅56.3%。支護材料成本降低525.4元/m，降幅達15.9%，人工費用減少了369萬元。掘錨一體機的應用，實現了大斷面煤巷快速掘進，保證了采掘工序的連續性，經濟效益與社會效益達到共贏。

5 結 語

針對馬道頭煤業產量大、掘進效率低、支護成本高，采掘接續緊張的問題，通過引進掘錨一體機快速掘進技術，并對支護方案和施工工藝進行優化，經在2404膠帶巷進行應用，取得了良好的經濟社會效益。