單巷快速掘進技術在斜溝煤礦的應用

郭俊生，李玉岐，謝 苗

（1.山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602；2.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新123000）

近幾年，我國煤礦裝備正在向“機械化、自動化、智能化”方面如火如荼的發(fā)展。目前，晉陜蒙等地區(qū)因地制宜，在煤礦掘錨一體機、連采機掘巷的應用中發(fā)展較快[1]，但由于我國煤層賦存條件具有多樣性和復雜性，不同區(qū)域的煤層開采地質條件、開采技術水平、管理水平等發(fā)展極不相同[2]，相比之下綜掘雖效率不高，但在現(xiàn)階段仍是我國煤礦掘進的主體。綜掘效率低下制約進尺的關鍵問題就是掘與支不能平行作業(yè)，支護作業(yè)占整個掘進作業(yè)時間的60%左右[3]。以斜溝煤礦綜掘循環(huán)進度2 m計算，每截割1個循環(huán)約55 min，臨時支護約15 min，永久支護2排頂錨桿14根約60 min，永久支護1排頂錨索2根約30 min，支護時間是掘進時間的2倍左右，如能打破掘與支互相制約、互相影響的關系，效率就能得到大幅度的提升。基于此，礦井在快速掘進裝備配套前期定位在以現(xiàn)有綜掘平臺為載體，以國內(nèi)目前煤炭掘進的先進裝備為支撐[4]，研究配套1種能夠實現(xiàn)巷道連續(xù)、安全、高效的掘進設備與技術，從而實現(xiàn)礦井單巷快速掘進的目的。

1 單巷快速掘進技術適用地質條件

從漳村煤礦[5]、黃陵二號煤礦[6]、涼水井煤礦[7]調(diào)研情況分析，該快掘進技術適用于頂、底板較穩(wěn)定的中厚煤層，一般要求適合在地質構造簡單、煤層傾角小于10°的區(qū)域掘進，可掘進斷面寬度范圍為5.4～6.0 m，高度范圍為3.5～4.5 m，因地制宜是能否實施該項目的必要條件。

1.1 煤層及圍巖情況

礦井在8#煤層試驗快速掘進系統(tǒng)，煤層厚度為0.93～8.34 m，平均4.57 m，是結構簡單穩(wěn)定的可采煤層。煤層平均抗壓強度24.66 MPa，硬度系數(shù)f=2～3。煤層位于山西組下部，上距6#煤層2.33～28.05 m，平均13.48 m；下距S4砂巖0～20.00 m，平均為2.10 m。煤層基本頂為中粗粒砂巖，厚度為4.13～21.27 m，平均11.04 m，抗壓強度52.67 MPa，硬度系數(shù)f=5.3，屬中硬頂板[8]。直接頂為中細粒砂巖，巖層普氏硬度6～8，厚度0～19.69 m，平均2.46 m。直接底為泥巖，巖層普氏硬度為2～3，厚度0～7.39 m，平均1.04 m。基本底為細粒砂巖，巖層普氏硬度為7～8，厚度0～5.95 m，平均3.03 m。

1.2 地質構造

斜溝井田構造簡單，總體上為一走向近南北，傾向西的單斜構造。地層傾角小于15°，一般為9°～12°。

2 長距離臨時支護模擬分析

單巷快速掘進的核心就是循環(huán)割煤→長距離臨時支護→永久支護的銜接過渡，確定合理的臨時支護長度是實現(xiàn)掘支運連續(xù)平行作業(yè)的關鍵。基于FLAC3D軟件以18106材料巷工程地質特性建立模擬計算模型[9]，本次模擬取長100 m，寬30 m，高24 m，斷面24 m2（寬6.0 m，高4.0 m）模型共劃分為141 045個單元，128 476個節(jié)點，。主要對巷道開挖后10、20、30 m不同長度臨時支護下的塑性區(qū)、應力場、位移量3個方面進行了模擬計算[10]。不同長度臨時支護巷道塑性區(qū)圖、應力場圖、位移量圖如圖1～圖3。

圖1 不同長度臨時支護巷道塑性區(qū)圖Fig.1 Plastic zone diagram s of tem porarily supported roadways of different lengths

圖2 不同長度臨時支護巷道應力場圖Fig.2 Stress field diagrams of tem porarily supported roadways of different lengths

圖3 不同長度臨時支護巷道位移量圖Fig.3 Disp lacement diagrams of temporarily supported roadways of different lengths

通過模擬分析可知[11]，巷道開挖后，由于圍巖應力的釋放，在不同長度臨時支護下巷道圍巖雖未發(fā)生強度破壞，但“弱化擴展度”隨著距離的增加明顯加大，頂板離層量從8.4～10.6 mm（支護長度10 m），增加到11.3～17.5 mm（支護長度30 m），底板只出現(xiàn)少數(shù)位置破壞，表明臨時支護能夠有效控制頂板離層，但由于臨時支護對巷道兩幫支護的減弱，在模擬中也反映出支護弱化對其造成的后果，表現(xiàn)為在臨時支護段巷道的頂?shù)捉恰蓭图熬蜻M前方應力的增大。在臨時支護達到30 m時，巷道圍巖應力增大到25.15 MPa、頂板下沉17.5 mm、兩幫移近各22.6 mm，單獨采用臨時支護設備控制圍巖變形已較為困難，當頂板離層大于離層界限值后將對控頂有較大的影響[12]。綜合考慮，臨時支護長度確定為20 m較為合理。同時，在現(xiàn)場作業(yè)中要視情況對巷道兩幫進行有效的支護以便控幫、控頂。

3 單巷快速掘進系統(tǒng)工業(yè)性試驗

3.1 試驗巷道及支護參數(shù)

礦井在18106材料巷進行快速掘進試驗，該巷道沿8#煤層頂板施工，蓋山厚度為159～327 m，設計長度為3 736.718 m，開口方位角為180°（沿煤層走向掘進）。

巷道為矩形斷面，掘寬5.5 m，掘高3.8 m，掘進斷面18.29 m2。

試驗巷道支護參數(shù)如下：

巷道支護頂錨桿采用φ22 mm×2 600 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，7根矩形布置，間距0.85 m，排距1.0 m；頂錨索采用φ21.6 mm×5 500 mm鋼絞線，3根花形布置，間距2.55 m，排距2.0 m。煤柱幫幫錨桿采用φ22 mm×2 600 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，3根矩形布置，間距1.2 m，排距1.0 m；工作面幫幫錨桿采用φ20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，2根矩形布置，間距1.0 m，排距2.0 m；幫錨索采用φ21.6 mm×3 500 mm鋼絞線沿煤柱側幫布置1排，距離底板2 m位置布置，間距2.0 m。頂錨桿預緊力距在300 N·m以上，幫錨桿預緊力距在70 N·m以上，頂錨索預緊力不小于200 kN。18106材料巷支護參數(shù)示意圖如圖4。

圖4 18106材料巷支護參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of 18106 material lane support parameters

3.2 快速掘進設備配套

配置ZLH2×1040/30/44型滑移支架[13]，單組設備寬度5.3 m，高度3～4.4 m，初撐力2×760 kN（20 MPa），工作阻力2×1 040 kN（28 MPa），8根立柱為1組（主架4根、副架4根），支護長度10 m，移架步距1.0 m。工作面配置2組共20 m進行臨時支護，2組支架頭尾搭接2.5 m（掘支平行作業(yè)緩沖段）[14]。該設備將掘進機罩在其中，隨掘進工作面的推進組合邁步式前移，同時采用主、副架結構，在移架時可以始終保持工作面及掘進機、二運等設備所在巷道的接頂支護[15]。在設備配套過程中將掘進皮帶機尾爬道加長至30 m并配置CMM5-30Y騎跨式液壓錨桿鉆車，該鉆車支護范圍寬5 900 mm×高3 740 mm，可騎跨高度不超過1 m，寬度不超過2.1 m的帶式輸送機，將永久支護放在支架尾部施工，實現(xiàn)了機械化、集成化、連續(xù)化、快速化掘進巷道[16]。

3.3 臨時支護段頂板離層監(jiān)測

為監(jiān)測2組滑移支架（20 m）控頂程度的好壞，在滑移支架下方施工頂板窺視孔，窺視孔每排2個，間排距2 m錯位布置，孔徑32 mm，孔深6 m，共計施工10排20個鉆孔。采用KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀跟蹤窺視不少于4次，對比支護前后頂板變化情況。取2#、17#鉆孔窺視結果對比，2#、17#鉆孔窺視結果對比圖如圖5。

圖5 2#、17#鉆孔窺視結果對比圖Fig.5 2#、17#drilling peek results com parison chart s

通過2#、17#鉆孔窺視結果分析，頂板為泥巖且泥巖裂隙發(fā)育時，頂板在0.8 m范圍內(nèi)受掘進機截割擾動和開挖后圍巖應力重新分布的雙重力的作用下，易誘發(fā)原生裂隙二次發(fā)育甚至出現(xiàn)局部離層的現(xiàn)象，得到支護后將有效減小離層速度和離層量，在1～2 d內(nèi)趨于穩(wěn)定。頂板泥巖完整或直接為砂巖頂板時，跟蹤窺視期間從始到終沒有變化，表明掘巷對其影響較小。在現(xiàn)場作業(yè)過程中，滑移支架初撐力必須動態(tài)達標，接頂嚴密，不得反復升降支架，避免重復支撐對頂板造成二次破壞，同時臨時支護時間不得超過1 d以上，特別是遇頂板泥巖裂隙發(fā)育時，要加強頂板管理。

3.4 差異化支護錨桿（索）受力監(jiān)測

根據(jù)頂板完整條件，在快速掘進中實行差異化支護管理。當頂板條件較差時，工作面采用頂錨桿“三四”型（鋼帶打設眼位分別為第1排1、4、7和第2排1、3、5、7孔，必要時同時支護兩幫）進行及時支護。為監(jiān)測不同支護密度下頂錨桿受力情況判定頂板受控程度，頂板破碎時，在及時支護（2排）和永久支護（1排）頂錨桿（索）分別安裝GYM400在線測力計進行監(jiān)測[17]，頂錨桿“兩區(qū)”受力情況，"兩區(qū)"頂錨桿受力圖如圖6。

圖6 “兩區(qū)”頂錨桿受力圖Fig.6 “Two-zone”top bolt force diagram

通過對比不同支護密度下錨桿受力情況可以發(fā)現(xiàn)，在及時支護和永久支護“兩區(qū)”內(nèi)所監(jiān)測的頂錨桿的預緊力矩在施工期間均達到設計要求，頂板巖層變化在1～2 d內(nèi)能夠快速穩(wěn)定并隨時間的推移錨桿受力逐漸趨向平穩(wěn)，表明錨桿的受力變化不大，頂板受控狀態(tài)良好。差異化支護錨桿受力變化與鉆孔窺視變化基本吻合。在現(xiàn)場作業(yè)過程中，永久支護必須緊跟支架機尾，盡量減小工作面控頂距離、減少懸頂時間，工作面空幫距離也不易過大，必須根據(jù)實際情況進行“三區(qū)兩幫”的聯(lián)動支護控頂控幫，安全管理巷道頂板。

3.5 快速掘進工藝

1）由EBZ260型掘進機割煤（循環(huán)進度2 m）并清理浮煤，將前探梁向上旋起緊貼工作面頂板巖面。

2）確保主架門式梁（第2、第4橫梁）架設的鉸接縱梁接頂，收起副架4根立柱距底板400 mm后，以主架門式梁（第2橫梁）為支撐點收縮移架千斤頂前移副架（以第3橫梁為連接點）行程為1.0 m，前移到位后伸出副架4根立柱接底，至副架門式梁（第1、第3橫梁）架設的鉸接縱梁接頂。前移主架和前移副架過程基本相同，移架到位后必須保證立柱打設在巷道實底，主副支架鉸接縱梁左右擺動距離不得超過10 cm。按上述步驟前移第2組并配合尾部的錨桿鉆車完成永久支護。

3）掘進機割煤時，同步操作液壓錨桿鉆車在支架尾部由外向掘進工作面逐排順序施工，完成永久（平行）支護。當頂板條件較差時，操作主架前探梁向下旋轉至適當位置，在副架挑梁下方將鋼帶及金屬網(wǎng)與前探梁固定好后，將前探梁向上旋起緊貼工作面頂板巖面，在滑移支架前探梁的掩護下人工支護部分頂錨桿，采用“三四”型對工作面頂板進行及時支護，剩余頂、幫錨桿（索）仍由錨桿鉆車完成。

3.6 應用效果

2019年8月礦井完成18106材料巷快速掘進設備的安裝調(diào)試后，12月進尺就達到了395 m。在2020年4月和6月進尺分別達到了433 m和485 m，并在6月12日、13日連續(xù)2天單班進尺達到15 m，單日進尺達到25 m，隨著隊組工人熟練程度的不斷提高，掘進效率持續(xù)提升，進度仍將刷新記錄，現(xiàn)礦井基本實現(xiàn)了單巷快速掘進的目標。

4 結 語

1）針對18106材料巷快速掘進試驗初期出現(xiàn)的問題，通過加裝掘進機鏟板攉煤板、改造架內(nèi)彈性風筒、增加支架對中報警、改進錨桿鉆車升降平臺、改變錨桿鉆車冷卻形式等措施，進一步減少了掘進施工各工序間等待時間，各工序銜接更加緊湊合理，現(xiàn)已將掘進效率提高到1.5倍以上，基本達到了巷道連續(xù)、高效、安全掘進的任務。

2）通過FLAC3D軟件模擬了在不同臨時支護長度下巷道圍巖情況，確定合理的臨時支護長度。在試驗巷道布置頂板窺視孔、監(jiān)測錨桿（索）受力對比永久支護前后的情況，驗證了從實驗到實踐支護參數(shù)的轉化，為快速掘進掘與支的平行作業(yè)提供了前置條件。在實際施工中，要根據(jù)現(xiàn)場情況進行“三區(qū)兩幫”的聯(lián)動支護，在已掘進的巷道要定期監(jiān)測錨桿（索）測力計和頂板離層儀數(shù)據(jù)并及時分析，確保頂板安全。

3）單巷快速掘進技術以綜掘技術為平臺，集合目前國內(nèi)掘支運先進設備，通過優(yōu)化設備配套，真正突破了綜掘各工序互相制約、互相影響的局面，實現(xiàn)了掘進中掘支運關鍵工序的平行作業(yè)，大幅度提高了掘進效率，是綜掘技術的一次質的飛躍，也是煤礦單巷快速掘進發(fā)展的一個主要方向。