大斷面煤巷快速掘進技術的應用

郜陶陶

（山西科興高平科興前和煤業有限公司，山西 高平 048400）

現代化礦井綜采設備的普遍使用使煤炭生產效率大幅度提高，然而，目前國內煤巷的掘進技術水平要遠遠落后于機械化采煤技術［1］，煤巷掘進成為制約采掘接替的重要因素。影響煤巷快速掘進的主要因素包括支護工藝復雜、勞動組織低效、掘進設備不配套等問題［2-4］。因此，煤巷掘進是支護技術和掘進工藝的有機結合［5］，只有通過全面提升這兩方面的施工效率，使其有效配合才能實現煤巷的快速掘進。本文基于常村煤礦生產條件，在支護技術和掘進工藝兩方面進行優化，實現了煤巷的快速掘進，有效解決了生產接替困難問題。

1 巷道工程概況

常村煤礦共有可采煤層3 層，即2#、10#、11#，2-504 工作面開采上部的2#煤層，厚度4.07 m，該礦2-504 工作面運輸巷設計斷面19 m2，巷寬5 m，巷高3.8 m。煤層偽頂不發育，直接頂為泥巖、砂質泥巖，中上部夾一層煤線，厚度2～6 m，平均3.8 m，老頂為中粒砂巖，厚度3～10 m，直接底為3 m厚泥巖，老底為中粒砂巖，厚度約2.5 m，煤系地層綜合柱狀見圖1。

圖1 2-504 工作面煤系地層綜合柱狀圖

2 巷道支護方案

通過對現場施工條件進行分析可知：①巷道施工斷面大，支護要求高；②該巷道直接頂發育穩定，不易離層，老頂強度大，支撐力較好；③巷道沿頂掘進，兩幫煤層松軟，裂隙發育，幫部支護困難。

根據以上分析，設計支護方案如下：①頂板支護采用錨網索梯支護，單排施工錨桿6 根，規格Φ22-M24-2800 mm，施工間排距900 mm×1 000 mm，配合金屬梯形梁支護，錨索單排施工1 根，位于巷道正中，間距3 m，規格Φ21.8 mm×6 300 mm，錨固層位為老頂中粒砂巖； ②幫部支護采用錨網梯支護，兩幫各施工錨桿4 根，規格Φ22-M24-2000 mm，施工間排距110 mm×1 000 mm，配合金屬梯形梁支護，其中上部對側2 根錨桿仰角30°，錨固層位為直接頂板，下部對側2 根錨桿俯角30°，錨固層位為直接底板，中部對側4 根錨桿水平施工；③所有錨桿施工預緊力不小于300 N·m，錨固力不小于120 kN；④通過斷層或頂板破碎帶時，可根據現場實際情況補充施工單體錨索，巷道支護見圖2。

圖2 2-504 巷道支護

3 煤巷掘進工藝

3.1 掘錨一體化技術

實踐證明，采用上述巷道支護方案能夠滿足巷道的支護要求。為進一步提高支護效率，決定采用掘錨一體化技術。本次采用EBZ220 掘錨一體機進行巷道支護。該設備是在原掘進機基礎上安裝錨護裝置，在不改變其結構的同時完成掘進、錨護一體化功能。該設備能夠在掘進過程中進行機械化支護，從而提高支護速度，既實現了前探梁支護和錨桿施工的機械化作業，降低了勞動強度，同時提高安全性，進而提高掘進效率。EBZ220 掘錨一體機見圖3。

圖3 EBZ220 掘錨一體機作業

3.2 煤巷快速掘進技術

掘進工藝對煤巷掘進速度影響顯著。懸臂式綜掘機在掘進作業過程中，需要司機進行操控，其截割路線和速度往往由工作經驗決定。因此，容易出現滾筒重復走線、超挖或欠挖及巷道成型差等；并可能增加頂幫部擾動次數，影響空頂區域圍巖的穩定性，降低掘進效率。因此，可以對綜掘機截割路徑進行優化和固化，并確定施工流程，從而提高作業速度和巷道成型質量。

（1）截割路徑設計

通過對煤體工程力學及現場實際截割情況進行分析，設計了基于標準斷面的煤巷S型截割軌跡，以矩形斷面對其進行描述，即從巷道左下側開始按照滾筒直徑對斷面煤體自下而上進行往復截割，呈現連續的S型；整體巷道斷面施工完成后，在巷道兩側分別從上至下進行幫部修整，從而完成巷道整體掘進作業，截割及修整路徑見圖4。

圖4 S 型截割路徑

（2）施工流程

綜掘機S型截割工藝施工流程為： ①清理作業場地：巷道施工前，利用綜掘機鏟板清掃正頭浮煤（巖），若底板存在煤（巖）體凸起，開啟截割頭進行平整作業，清理施工場所；②縱向進刀：調整綜掘機位置，在正頭左下角進刀，滾筒全部進入煤體后停刀，同時利用鏟板運煤；③橫向進刀：滾筒沿煤層底板自左至右截割，進行橫向進刀；④往復截割：當滾筒截割至右側時，上抬一定高度，進行往復截割，上抬高度由煤體截割情況進行確定，同時保證割下的煤塊大小適中；⑤以施工中線為基準，對巷道兩幫進行修整，同時清理煤炭，進行下一次循環。

3.3 掘進作業工序優化

2-504 運輸巷沿頂板掘進，原掘進方式為EBZ220 型綜掘機一次成型，人工施工錨桿和臨時支護，作業流程見圖5。

圖5 2-504 運輸巷原作業流程

為提高掘進效率，確保掘進速度，減輕勞動強度，決定對原掘進和支護工藝進行優化。即EBZ220型掘錨一體機施工，采用S型往復截割和機械化臨時支護、錨桿施工，工序如下：小循環施工6 根頂板錨桿，同時將兩幫錨桿施工完畢；中循環補齊肩角和底角；大循環施工頂板中部的錨索，加強頂板支護。具體流程如下：①現場交接：對設備和工作環境進行檢查；②掘進：單個小循環為2 m；③施工臨時支護：人工鋪設兩幫和頂板金屬網，架設前探梁；④施工第一排錨桿孔，頂、幫部錨桿孔分別按照由中部向兩側和由上至下的順序施工，旋入并固定錨桿；⑤第二排錨桿孔施工，旋入并固定錨桿；⑥重復上述小循環至工班結束。根據上述工序，每班可完成3 個小循環，具體工序及施工時間見表1。

表1 小循環施工工序

4 效果分析

圖6 巷道變形觀測結果

4.1 支護效果分析

為驗證支護效果，需要對巷道變形量進行觀測。本次在2-504 運輸巷布置測點，采用十字布點法利用激光測距儀對表面位移進行觀測，觀測周期為30 天，每天觀測一次，并將巷道變形情況繪制成曲線，見圖6。由曲線圖可知，在30 天的觀測期內頂底板間的最大移進量75 mm； 在8～10 天趨于穩定，巷道左右幫的移進量為100 mm；在15 天左右趨于穩定。通過巷道變形量分析可知，在巷道頂板采用錨網索梯支護、兩幫采用錨網梯支護后，巷道變形較小，趨于穩定的時間較短，能夠滿足巷道支護要求。

4.2 掘進效率分析

2-504 運輸巷在原掘進工藝情況下，采用“三八”制，每天完成10 個循環，單循環進尺0.8～1.0 m，每天掘進8～10 m；在對施工工藝進行優化后，每班可完成3 個小循環，每個小循環進尺2 m，單班進尺6 m，每天可掘進18 m。由此可見，在對掘進和支護工藝進行優化后，巷道掘進效率提升超過一倍。

5 結語

1）運輸巷頂板支護采用錨網索梯支護，兩幫采用錨網梯支護，在遇到構造或頂板破碎區域補充施工單體錨索。對巷道變形量進行檢測可知，采用該方案后頂底板最大移進量為75 mm，兩幫最大移進量為100 mm，巷道變形較小，能夠滿足支護要求。

2）采用掘錨一體化技術，并對綜掘機截割路徑進行固化，優化施工流程，巷道掘進效率提升一倍。

3）掘錨一體化施工能夠降低施工成本，加快施工速度，減少工人勞動強度，可有效提高掘進速度，同時保證施工安全。該技術可在相似地質條件的工作面進行推廣。