胡底煤業3#煤層底抽巷快速掘進技術研究與應用

譚海龍

（山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司為突出礦井，現開采位于山西組下部的3#煤層，煤層平均厚度5.72 m，平均傾角6°，煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力分別為25 m3/t、3.83 MPa。由于煤層瓦斯含量較高，故在巷道煤巷掘進前采用施工底抽巷的方式降低待掘區域的瓦斯含量，以確保巷道掘進作業的正常施工。底抽巷具體布置位置如圖1。

3#煤層底抽巷沿5#煤掘進，掘進斷面為矩形，凈寬×凈高=4400 mm×3100 mm。頂板巖層為K6灰巖和砂質泥巖，底板為砂質泥巖，支護方式為“錨網索”支護。為提升巷道掘進速度，特進行巷道快速掘進技術的研究。

圖1 工作面底抽巷位置示意圖

2 快速掘進技術

2.1 掘進工藝優化分析

根據3#煤層底抽巷的層位及地質條件可知，目前3#煤層底抽巷掘進時采用掘支單行作業，每個循環3 排，截割時間約為6～7 h，支護時間約為8～9 h。提升巷道掘進單行速度主要有三種措施，分別為提高掘進裝備水平、提高支護設備機械化、最大限度平行作業。但上述三種措施僅能夠在小幅程度上提升掘進速度，并無法大幅度實現掘進單行速度的提升。

若是能實現截割和支護平行作業，則會是整個工藝中最大效率的平行作業[1-3]。結合3#煤層底抽巷的具體地質條件，最終確定巷道新型的快速掘進工藝為“割矸+架棚（錨索）支護+滯后錨桿支護”。采用該種掘進工藝可實現掘進機割煤矸與巷道支護的平行作業，達到提高單進水平的效果。

2.2 滯后支護模擬分析

為模擬分析錨桿補強支護與掘進工作面之間的合理滯后距離，采用FLAC3D數值模擬軟件，結合3#煤層地質條件，建立長×寬×高=100 m×46 m×41.8 m 的三維模型，模型側邊及底邊均作固定處理，頂部施加等效自重應力，為20.8 MPa，模型兩側水平應力施加為1.11 MPa，并結合3#煤層頂底板巖層特征進行模型力學參數的賦值。

設置錨桿支護滯后掘頭的距離為5～60 m 的范圍，滯后距離每增加5 m 進行一次模擬分析，基于數值模擬結果得出圍巖垂直應力及垂直位移情況如圖2。

圖2 錨桿支護滯后掘進頭不同距離下垂直應力、位移

分析圖2 可知，在距掘進頭20 m 處，頂板應力大幅增加到9.544 2×105MPa，增加了17.73%，增加幅度較大，而且在距掘進迎頭20～25 m 范圍內，頂板垂直位移突然增大，表明在該區域頂板變形嚴重，頂板載荷會向巷道兩幫傳遞。為防止幫部出現大面積松動或片幫，在距掘進迎頭20 m 至滯后錨桿支護范圍內的巷道幫部每2～3 排打一根中部錨桿，加強幫部支護強度。在距掘進迎頭60 m 處，巷道頂板應力大幅增加到1.409 2 ×106MPa，增加了42.06%，而且在距掘進迎頭55 m 處，頂板下沉量超過了200 mm。因此根據巷道頂板應力分布特征和垂直位移分析，大部分滯后錨桿支護沒能及時跟上，是造成巷道頂板變形嚴重、下沉量大幅度增加的原因。綜上，滯后錨桿支護距掘進工作面迎頭的距離不能超過50 m。

錨桿支護滯后掘進頭50 m 時，巷道圍巖垂直應力及垂直位移云圖如圖3。

圖3 垂直應力及垂直位移分布云圖

2.3 掘進工藝安全性分析

（1）頂板K6 灰巖的穩定性。底抽巷以K6 灰巖為頂板，平均厚度1.8 m，深灰色灰巖，巖石致密堅硬，普氏系數約6～8，頂板完整性好，采用架棚工藝可以有效結實頂板，保證頂板受力均勻[4-5]。

（2）架棚支護的可靠性。采用“單體柱+π型梁”一梁兩柱架棚支護，單體柱初撐力不小于12 MPa，棚與棚之間采用拉鉤聯鎖，每一列單體柱采用鋼絞線聯鎖，每一根單體柱加設防倒繩，同時按照原設計每兩排打兩根Ф22 mm×6300 mm 錨索，錨索預緊力不小于250 kN，保證了架棚支護段的頂板安全[6]。

（3）滯后錨桿的及時性。滯后錨桿補強支護隨掘進及時跟進，距迎頭不超50 m，確保了補強支護的及時性，保證頂板支護安全可靠。

3 快速掘進方案及效果

3.1 巷道支護方案

底抽巷采用錨網索支護，采用螺紋鋼錨桿，錨桿參數為Ф22 mm×2400 mm，頂板及兩幫錨桿間排距分別為1000 mm×1200 mm 和1100 mm×1200 mm；頂板錨索采用規格Ф22 mm×6300 mm 低松松弛鋼絞線錨索，間排距2000 mm×2400 mm；巷道表面鋪設10#鐵絲編織的金屬菱形網，網片搭接長度100mm。錨桿預緊扭矩400 Nm，錨索預緊力250 kN。具體巷道支護方式如圖4。

圖4 底抽巷支護方式示意圖

3.2 快速掘進方案

底抽巷快速掘進工藝流程，主要為：掘進機割煤矸與架棚、錨索支護同時施工，錨桿補強支護滯后掘進工作面50 m施工；快速掘進工藝施工工序為：割矸→架棚（錨索）支護→風筒側頂、幫角錨桿施工；平行作業：在二運后錨桿補強支護→回棚。具體快速掘進工藝的各項要求如下。

（1）時間要求：① 3 h 割2 排矸，1.5 h 架2 架棚，支護2 根錨索、4 根錨桿；② 早班、中班平行進行滯后錨桿支護，每班4 排。

（2）割矸工序：進刀→截割→修邊→成形。

（3）架棚（錨索）永久支護工序：返托梁器→抬π 型梁上托梁器→上頂網（提前將鋼帶聯在網片上）并與π 型梁聯2～3 道→升托梁器、固定π 型梁、上兩側拉桿→π 型梁兩端升起單體柱（初撐力達到12 MPa）→用托梁器臨時支護升起第二排網片→施工頂部2 根錨索→放下托梁器臨時支護→鋪設風筒側幫網→施工風筒側頂角錨桿和幫角錨桿→聯頂網和幫網。

（4）滯后錨桿補強支護工序：采用錨桿鉆車支護，支護頂錨桿→施工行人側幫角錨桿→鋪設行人側幫網→支護剩余幫錨桿，聯網與支護平行作業。補強支護距工作面迎頭的距離不能超過50 m，皮帶距幫不小于0.5 m，底角錨桿起錨高度不超過0.9 m，永久抽放管路距工作面的距離不超過60 m。

（5）回棚工序：每天檢修班利用錨桿鉆車集中回棚，升起錨桿鉆車臨時支護與π 型梁接實→拆除π 型梁拉桿→將單體柱卸液→回收單體柱及柱鞋→降下臨時支護和π 型梁，離開頂板100 mm →升起鉆車平臺，距離π 型梁1.5 m →π 型梁兩側各站2 人，同時抬起π 型梁→將π 型梁放在指定地點。

具體3#煤層底抽巷快速掘進工藝方式如圖5。

圖5 快速掘進工藝示意圖

3.3 效果分析

1307 和1309 工作面底抽巷掘進時便采用新型掘進工藝，根據巷道掘進進尺記錄表，能夠得出巷道采用新掘進工藝后每月掘進進尺見表1。

表1 底抽巷掘進效率表

表1 可知，1309 工作面底抽巷采用快速掘進工藝施工時，6—11 月份平均單進水平為154 m/月，其中單進水平最高的月份為11 月，其數值達到211 m/月，相較于巷道原有掘進工藝105 m/月，掘進效率提升了100%，新型快速掘進工藝的平均單進水平提高47%，底抽巷掘進速度得到較大幅度的提升。

4 結論

根據3#煤層的賦存特征及底抽巷的布置層位，通過分析底抽巷采用掘支單行作業時的問題，確定新型快速掘進工藝為“割矸+架棚（錨索）支護+滯后錨桿支護”，并結合巷道支護進行快速掘進工藝的具體設計。根據掘進工藝的應用效果可知，掘進效率提高了100%，快速掘進工藝應用效果顯著。