復雜地質條件下巷道斷面優化及快速掘進工藝研究

2021-05-21 12:00:42申建偉

煤礦現代化 2021年3期

申建偉

（山西長治經坊莊子河煤業有限公司，山西長治 047100）

0 引言

隨著煤礦的不斷開采，巷道掘進面臨著越來越復雜的地質條件，巷道掘進速度嚴重制約了礦井的安全生產，選取合適的巷道斷面形狀、合理的支護方式及快速掘進工藝是提高巷道掘進速度、降低巷道成本、保證礦井安全高效開采的重要因素[1-2]。

張聰[3]針對4 臺煤礦21022 巷機頭段采用雙向開口分層掘進施工工藝，快速完成了掘進任務；李紅斌[4]分析了影響井下巷道掘進的幾個因素，并在此基礎上探討了快速掘進技術措施；齊首靖[5]針對正城煤礦采用了新型的掘進和支護設備，大大提高了巷道掘進速度。現針對經坊煤業3-807 工作面回風順槽進行斷面優化和快速掘進工藝研究。

1 礦井概況

經坊煤業位于山西省長治市，批準開采3 號煤層，生產規模300 萬t/a，3-807 工作面位礦井井田西北部，設計工作面長度200 m，順槽長度1 960 m，煤層平均厚度5.6 m，3 號煤層位于二疊系下統山西組下部，下距9 號煤層55.72～79.70 m，煤層賦存標高250～500 m，埋藏深度440～680 m。平均580.4 m。煤層厚4.24～6.52 m，平均厚度為5.65 m。3 號煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 3 號煤層頂底板巖層分布表

2018 年山西經坊煤業組建了開拓隊、掘進隊，采用綜合機械化掘進工藝進行施工，但由于其地質條件復雜、煤層松軟、破碎；加之員工技術水平低，勞動組織不盡合理，導致采掘銜接緊張。因此，3 號煤的安全快速掘進是實現工作面安全開采的重要條件。

2 試驗巷道復雜地質條件表現特征

開展煤巷快速掘進，需對巷道所處具體條件進行分析研究，3-807 回風順槽復雜地質條件的表現特征為：

1）偽頂炭質泥巖和直接頂泥巖為軟巖，巷道復合頂板成型困難，容易冒落。

2）工作面所處地質環境較復雜，褶曲和斷層較多，圍巖較破碎。

3）煤層頂底板砂巖裂隙發育、已形成導水通路，進而發生涌水事故。

4）煤層瓦斯含量較高，瓦斯壓力較大，需進行瓦斯治理。

3 巷道斷面及支護技術優化

3.1 巷道斷面數值模擬研究

根據3-807 工作面煤層及頂底板巖石力學參數，愛用FLAC 3D 建立數值模擬模型，模擬巷道都不支護且地質條件相同的條件下，分析比較梯形斷面與拱形斷面在掘進期間，變形量及圍巖應力狀態，選取合適的巷道斷面，2 種巷道斷面均沿煤層臥底布置。

分析數值模擬結果，可得距離掘進頭10m 處巷道應力分布、位移分布和塑性區發育情況，參見下圖。

圖1 拱形巷道垂直應力分布

圖2 梯形巷道垂直應力分布

圖3 拱形巷道垂直位移分布

圖4 梯形巷道垂直位移分布

圖5 拱形巷道塑性區分布

圖6 梯形巷道塑性區分布

圖1—圖2 顯示巷道垂直應力分布規律：拱形斷面巷道在掘進過程中產生的最大垂直應力21.8 MPa，梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大垂直應力25.7 MPa；由數值模擬巷道水平應力得到：拱形斷面巷道在掘進過程中產生的最大水平應力18.3 MPa，梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大水平應力20.7 MPa；通過2 種巷道形式引起的應力分布分析，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道引起的應力集中要小的多。

圖3—圖4 顯示巷道垂直位移分布規律：拱形斷面巷道在掘進過程中產生的最大頂板下沉量21.9 mm，梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大頂板下沉量47.7 mm；由數值模擬巷道水平位移得到：拱形斷面巷道在掘進過程中產生的兩幫最大收縮量39.8 mm，梯形斷面巷道在掘進過程中產生的兩幫最大收縮量82.5 mm；拱形斷面巷道在掘進過程中產生的最大底臌量18.0 mm，梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大底臌量29.7 mm；通過2 種巷道形式引起的應力分布分析，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道在掘進過程中距工作面10 m 處引起的巷道收縮量要小的多。

圖5—圖6 顯示巷道塑性區分布規律：拱形斷面巷道頂板塑性區深度1.5 m，梯形斷面巷道頂板塑性區深度2.7 m；拱形斷面巷道兩幫塑性區深度1.5 m，梯形斷面巷道兩幫塑性區深度3.0 m；拱形斷面巷道底板塑性區深度2.0 m，梯形斷面巷道頂板塑性區深度3.0 m；通過2 種巷道形式引起的塑性區分析，梯形斷面比拱形斷面巷道的塑性區發育。

通過以上分析，可以確定巷道選用拱形斷面受力更小、圍巖變形量小且塑性區破壞范圍較小，因此針對此類復合頂板巖層時拱形斷面更為適用。

3.2 快速掘進巷道分級弱化支護方案

為了有效控制復合頂板變形量，實現掘、支平行化作業，對快速掘進巷道提出了滯后迎頭分級弱化支護技術，具體為掘進迎頭先打主要承載錨桿，其余錨桿及錨索滯后一段距離設置，增大掘進時支護距離，以實現掘支平行化作業，選取以下5 個方案進行拱形巷道圍巖位移分布進行數值模擬研究，選擇最佳支護方案。

他將節足拿至眼前，望了望整齊平滑的切口，心中既痛且惱，道：“天葬刀，果然名不虛傳！小生今天，倒要好好討教一二！”言罷，身軀猛地彈起，節足大展，朝著天葬師撲下。

表2 方案布置表

通過分析5 中方案下不同掘進距離時巷道圍巖變形量，得到如表3 所示。

表3 巷道頂底板移近量表（mm）

分析數據可知，采用以上5 個方案進行巷道支護時，除方案5 頂底板移近量較大之外，其余方案巷道變形量均差不多，其中方案3 最小，因此，選用方案3進行分級弱化支護方案設計。

4 快速掘進工藝流程及方案優化研究

4.1 掘進設備及配套設備優化研究

1）綜掘機選型。根據綜掘機選型的原則，選用EBZZOOH 懸臂式掘進機。

2）配套裝備選用研究。根據山煤集團經坊煤業有限公司現有設備，使用EBZ-200H 型懸臂式掘進機割煤和裝煤，配套SGB-420 型刮板運輸機1 部，SSJ-800 型膠帶運輸機1 部，QZP-200 型橋式轉載機1 部，MQT130/2.75 風動錨索鉆機 3 臺，FBDNo6.3-2×18.5 kW 對旋局扇 1 臺，2 臺錨索張拉儀，2 個風動扳手等。