常村煤礦25采區(qū)運(yùn)輸平巷支護(hù)及快速掘進(jìn)技術(shù)研究

張 欣

（山西潞安工程有限公司， 山西 屯留 046000）

1 工程概況

山西潞安環(huán)能股份有限公司常村煤礦25采區(qū)運(yùn)輸平巷服務(wù)于25采區(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)，巷道沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，3號(hào)煤位于山西組的中、下部，為全井田可采，巷道區(qū)域煤層總厚為5.6～6.27 m，平均厚度為5.97 m，平均傾角為3.5°，煤層直接頂為粉砂巖，均厚為3.24 m，基本頂為中粒砂巖，均厚為3.81 m，直接底為細(xì)砂巖，均厚為1.42 m，基本底為粉砂巖，均厚為3.55 m。25采區(qū)運(yùn)輸平巷掘進(jìn)作業(yè)時(shí)沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=5.0 m×3.8 m。

2 巷道圍巖控制方案

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

為充分保障25采區(qū)運(yùn)輸平巷圍巖的穩(wěn)定，確保支護(hù)參數(shù)的合理性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，具體進(jìn)行錨桿間距和錨桿長(zhǎng)度的模擬分析。

2.1.1 錨桿間距確定

為設(shè)計(jì)運(yùn)輸平巷合理的錨桿間距，結(jié)合鄰近巷道的支護(hù)方案，設(shè)置錨桿間距分別為750 mm、900mm和1 000 mm三種模擬方案，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出不同錨桿間距下圍巖塑性區(qū)的發(fā)育特征如圖1所示。

分析圖1可知，當(dāng)錨桿間距由750 mm增大到為900 mm時(shí)，此時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍基本未出現(xiàn)變化，但當(dāng)錨桿間距增大為1 000 mm時(shí)，此時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)明顯的增大，基于此分析最終確定錨桿間距為900 mm。

2.1.2 錨桿排距確定

基于上述數(shù)值模擬結(jié)果，以頂板錨桿間排距為900 mm，幫部錨桿間距為1 100 mm為模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，結(jié)合鄰近巷道的支護(hù)方案，設(shè)置錨桿排距分別為800 mm、1 000 mm和1 200 mm，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出不同錨桿排距下圍巖塑性區(qū)的發(fā)育特征（見(jiàn)圖2）。

圖1 不同錨桿間距下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

圖2 不同錨桿排距下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

分析圖2可知，隨著錨桿排距的增大，巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍逐漸增大，其中頂板塑性區(qū)增大現(xiàn)象較為明顯，兩幫塑性區(qū)范圍的變化較小，當(dāng)錨桿排距由800 mm增大為1 000 mm時(shí)，頂板塑性區(qū)僅在中部0.5 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)一定程度的增大，當(dāng)排距由1 000 mm增大為1 200 mm時(shí)，此時(shí)頂板塑性區(qū)出現(xiàn)較為明顯的增大現(xiàn)象，尤其在兩頂角的位置處，塑性區(qū)發(fā)育范圍的增大幅度較大。基于上述分析，在確保巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)因素，確定錨桿排距為1 000 mm。

2.2 支護(hù)方案

基于上述模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

2.2.1 頂板支護(hù)

錨桿采用M24螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm，間排距為900 mm×1 000 mm，錨固方式采用端頭錨固，設(shè)置預(yù)緊扭矩為300 N·m，錨索采用1×7股鋼絞線，規(guī)格為Φ21.8 mm×6 300 mm，每排布置一根，排距為1 000 mm，錨固方式采用端頭錨固，設(shè)置預(yù)緊力為200 kN，金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)，采用鋼筋梯子梁將錨桿（索）連接成一個(gè)整體。

2.2.2 幫部支護(hù)

巷幫錨桿材質(zhì)、錨固方式和預(yù)緊力同頂板，規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm，間排距為1 100 mm×1 000mm，其中兩幫角錨桿與巷道幫部成30°布置，其余錨桿均垂直巷幫布置。

具體25采區(qū)運(yùn)輸平巷的支護(hù)方式如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖（未標(biāo)單位：mm）

3 快速掘進(jìn)工藝

3.1 掘進(jìn)工藝及影響要素

回采巷道掘進(jìn)施工主要由五大工序組成，分別為破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)及監(jiān)測(cè)，若要使得巷道快速高效的掘進(jìn)施工，需使各個(gè)工序都能夠高效率完成，且各個(gè)工序之間能夠有效協(xié)調(diào)連接。目前巷道掘進(jìn)破巖方式主要包括鉆眼爆破及掘進(jìn)機(jī)破巖兩大類。其中使用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，具備機(jī)械化程度高、效率較高及勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，但掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)不同情況圍巖的效果差，更不適合于較硬巖石斷面的施工[1-2]。巷道掘進(jìn)施工時(shí)使用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工是快速掘進(jìn)施工的主要方法。巷道快速掘進(jìn)技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)工藝中三大工序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，包括：破巖使用爆破深孔化、支護(hù)進(jìn)行合理化及裝運(yùn)使用機(jī)械化、優(yōu)化各工序之間的配置。

快速掘進(jìn)巷道的影響要素主要包括四個(gè)方面，分別為：組織管理（人、物、料）、設(shè)備先進(jìn)性（機(jī)）、環(huán)境（地質(zhì)條件）、作業(yè)方法（工藝流程）。通過(guò)對(duì)快速掘進(jìn)巷道的關(guān)鍵要素進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)對(duì)相關(guān)學(xué)者得到的樣本進(jìn)行成分分析[3-4]，快速掘進(jìn)工作面的效率受到工作面環(huán)境、地質(zhì)條件、人員熟練程度、施工工藝及設(shè)備先進(jìn)性方面的影響較大，其中巷道地質(zhì)條件、人員、設(shè)備均為主觀條件，而掘進(jìn)工藝為客觀條件，能夠從技術(shù)方面對(duì)其分析優(yōu)化。

3.2 快速掘進(jìn)設(shè)備與工藝流程

3.2.1 快速掘進(jìn)設(shè)備

基于上述快速掘進(jìn)工藝影響因素的分析可知，通過(guò)技術(shù)方面的優(yōu)化可大幅提高掘進(jìn)速度，故確定25采區(qū)運(yùn)輸平巷掘進(jìn)作業(yè)時(shí)采用EBZ220掘錨護(hù)一體的綜掘機(jī)械。該掘進(jìn)機(jī)能夠在不移動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)下，完成頂板兩排錨桿（排距為1 m）及兩幫上部?jī)筛^桿（間距為0.9 m）的施工，且能夠?qū)崿F(xiàn)頂板及兩幫的臨時(shí)支護(hù)。具體頂錨桿及幫錨桿施工形式如圖4所示。

圖4 頂板及幫部錨桿施工作業(yè)示意圖（單位：mm）

為確保巷道掘進(jìn)正規(guī)循環(huán)作業(yè)的順利完成，巷道掘進(jìn)迎頭應(yīng)根據(jù)勞動(dòng)組織及人員配備情況具體安排掘進(jìn)施工工藝，應(yīng)確保各項(xiàng)施工工藝與工藝之間能夠交叉進(jìn)行，各項(xiàng)工序能夠盡量平行作業(yè)，以提高工時(shí)利用率。現(xiàn)結(jié)合EBZ220型掘護(hù)錨支護(hù)一體機(jī)的特征，具體進(jìn)行掘進(jìn)施工工藝的設(shè)計(jì)。

3.2.2 掘進(jìn)工藝流程優(yōu)化

根據(jù)礦井原有的巷道掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程可知，原有的掘進(jìn)工藝如下頁(yè)圖5所示。

分析圖5可知，原有掘進(jìn)施工工藝流程中主要包括掘進(jìn)機(jī)截割與出煤（矸）、帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤（矸）、人工掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁和串前臨時(shí)支護(hù)、打設(shè)錨桿（索）鉆孔進(jìn)行巷道支護(hù)；原有掘進(jìn)施工工藝中掘進(jìn)機(jī)截割與出煤、支護(hù)材料備料為平行作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)截割與巷道支護(hù)之間為單行作業(yè)。

掘進(jìn)作業(yè)施工時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的切割形式采用自上而下推進(jìn)方向的“S”形截割，現(xiàn)結(jié)合EBZ220掘錨護(hù)一體的綜掘機(jī)械的特征，進(jìn)行掘進(jìn)施工工藝的優(yōu)化，優(yōu)化后的掘進(jìn)工藝如下：

圖5 原有掘進(jìn)工藝流程圖

1）采用EBZ220型綜掘一體機(jī)實(shí)現(xiàn)割煤、運(yùn)輸煤（矸）和支護(hù)的平行作業(yè)，設(shè)置破煤、運(yùn)輸、掛網(wǎng)、梁等臨時(shí)支護(hù)、頂板六根錨桿的安裝和幫部除拱肩和底角錨桿外，錨桿的安裝為一個(gè)小循環(huán)。該循環(huán)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)破煤與支護(hù)備料平行作業(yè)，設(shè)置時(shí)間≤50 min；掛網(wǎng)、梁等臨時(shí)支護(hù)采用人工進(jìn)行，該部分施工與錨桿支護(hù)鉆孔平行作業(yè)，設(shè)置時(shí)間為10～15 min，小循環(huán)內(nèi)的錨桿采用掘錨一體機(jī)一次安裝完成；頂板錨桿和幫部錨桿的安裝時(shí)間分別少于4 min和3 min。

2）小循環(huán)施工完畢后，進(jìn)行中循環(huán)的施工作業(yè)，中循環(huán)內(nèi)主要進(jìn)行巷道肩角和底角錨桿的安裝及錨桿預(yù)緊力的施加。

3）中循環(huán)施工完畢后，進(jìn)行最大循環(huán)的施工，大循環(huán)中主要進(jìn)行巷道頂板單體錨索的安設(shè)。

具體25采區(qū)運(yùn)輸平巷優(yōu)化后的快速掘進(jìn)施工工藝流程為：交接班（預(yù)計(jì)耗時(shí)20 min）→割煤（一循環(huán)進(jìn)尺2 m，預(yù)計(jì)耗時(shí)50 min）→掛網(wǎng)（預(yù)計(jì)耗時(shí)5 min）→臨時(shí)支護(hù)（預(yù)計(jì)耗時(shí)5 min）→打設(shè)一排頂板和幫部錨桿鉆孔→安裝錨桿（預(yù)計(jì)耗時(shí)45 min）→重復(fù)第一排錨桿安裝工序（預(yù)計(jì)耗時(shí)45 min）→截割出煤進(jìn)入下一單個(gè)循環(huán)。

4 效果分析

25采區(qū)運(yùn)輸平巷在該種掘進(jìn)工藝下，采用三八制作業(yè)方式，最小循環(huán)進(jìn)尺為2m，一天能夠進(jìn)尺18m，而采用普通的掘進(jìn)工藝及系統(tǒng)時(shí)，巷道掘進(jìn)一天的進(jìn)尺為8～10 m，據(jù)此可知巷道采用該種掘進(jìn)工藝時(shí)，掘進(jìn)進(jìn)尺最大增幅達(dá)到100%。

為分析圍巖控制效果，在巷道掘出后設(shè)置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，隨著巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)作業(yè)，得出圍巖變形曲線如圖6所示。

圖6 巷道表面位移曲線圖

分析圖6可知，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐饕霈F(xiàn)在滯后掘進(jìn)迎頭0～30 m的范圍內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面與掘進(jìn)頭之間的距離大于30 m后，圍巖變形量逐漸趨穩(wěn)定，最終頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為46 mm和58 mm，圍巖變形量小。