望云煤礦15101運輸順槽掘錨一體化全斷面一次成型技術研究

崔 超

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城048400）

1 工程概況

山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司望云煤礦15101工作面開采15號煤層，煤層厚度2.4～12.55 m，平均厚度為4.86 m，平均含有3層夾矸，頂板巖層為石灰?guī)r和細粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質泥巖；15101運輸順槽主要為15101工作面提供通風、運輸、行人服務，巷道沿煤層底板掘進，掘進寬5.5 m，高3.6 m，現(xiàn)為提升15101運輸順槽的掘進效率，巷道采用MB670掘錨一體機進行掘進作業(yè)，特進行掘錨一體化全斷面以此成型技術的研究分析。

2 掘錨一體化工藝

2.1 巷道支護方案

15101運輸順槽采用錨網索支護，頂板和兩幫均采用Φ20 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋錨桿，頂板錨桿間排距為1 100/950 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿預緊扭矩為300 N·m；頂板錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm的1 7股的高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為2 000 mm×2 000 mm，預緊力為200 k N。

為提升錨桿索之間的連接和整體性，特采用W型鋼帶進行錨桿索的連接，巷道護表采用6 mm鋼筋編織的鋼筋網，網片規(guī)格為3 200 mm×1 200 mm，網間搭接200 mm，具體巷道支護方案見圖1。

圖1 掘錨機組錨桿機位置圖

圖1 巷道支護方案斷面圖

2.2 掘錨一體化工藝

MB760掘錨機能夠實現(xiàn)截割、裝載、運輸和錨護同步進行，全斷面截割，一次成巷。現(xiàn)為實現(xiàn)掘錨機在掘進與支護之間的協(xié)調，對掘錨一體化工藝的支護系統(tǒng)進行分析。

支護系統(tǒng)：掘錨機在掘進過程中為了實現(xiàn)幫錨桿和頂錨桿能夠對齊成排，需要退后機組，在退后機組的過程中，嚴重影響人員安全，影響快速掘進，在掘進過程中人機關系不能得到最佳匹配，因此分析不退機組、幫錨桿和頂錨桿不對齊情況下對巷道支護強度的影響。基于掘錨機的設計特性及人機關系匹配原則[1-2]，考慮進行幫部錨桿支護時，與頂板不成排的方案：井下掘錨機正常生產過程中，其固定循環(huán)進尺是1 m，同樣地，錨桿之間的排距也布置成1 m，然而，由于錨桿機的設計結構已成型，其提供的頂、幫錨桿機間距是1.3 m，因此在進行頂、幫支護時，不可能一次性達成一排。為了使頂部和幫部錨桿最終能夠達成一排，需要在實際作業(yè)時，連續(xù)2個循環(huán)進尺，且不進行幫部支護，即頂錨桿已領先幫錨桿2 m，在此情況下，機組后退700 mm，然后進行幫錨桿支護，如此便能使得頂部和幫部錨桿同在一排，如圖2所示。

根據(jù)眾多工程實踐結果表明[3-4]，采用掘錨一體機進行作業(yè)時，如果作業(yè)2個循環(huán)進尺之后不退機組，能節(jié)省9 min，雖然頂部和幫部錨桿不能達成一排，但頂部支護之后，緊接著進行幫部支護，仍能夠阻止片幫冒落。通過采用數(shù)值模擬和試驗分析相結合的研究方式，得出巷道合理的掘進作業(yè)方式為連續(xù)作業(yè)2個循環(huán)進尺不退機組支護方案，采用該方案雖然頂部錨桿領先幫部錨桿300 mm，但是其支護應力場與頂幫錨桿對齊的支護應力場基本一致，而且還可以節(jié)約時間，加快挖掘進度，有利于幫部的及時支護，實現(xiàn)人機關系最佳匹配。

3 巷道掘進工藝及效果

3.1 施工工藝

根據(jù)相關研究結論及規(guī)范可知[5-6]，掘錨機施工工藝在巷道掘進時最小空頂距約為1.8m,控頂距較大，望云煤礦15號煤層較為破碎，掘錨機掘進過程中雖有臨時前探梁支護，但漏頂現(xiàn)象仍然頻發(fā)，嚴重影響快速掘進和施工安全，人機關系不匹配。一般來說，空頂區(qū)是不允許員工作業(yè)或者停留的，因此在進行錨桿支護的同時，在煤壁中部插入滾筒割煤，上下分2次截割成形，不僅有利于降低空頂距，同時空頂面積變小，有效防止頂板出現(xiàn)漏頂情況。改進后的掘錨機割煤支護工序如圖3所示。

圖3 掘錨機割煤支護流程圖

基于上述巷道支護方案、掘進機截割方式和MB670掘錨一體機的特征，確定巷道支護方案中的頂錨桿、兩幫上部2根錨桿、采用掘錨機進行打設，其余錨桿索采用人工補設的方式，具體巷道快速掘進施工工藝如下：

施工工序包括掘進和支護兩大部分。巷道采用掘錨機施工時，每次掘進循環(huán)進尺為1 m，每次循環(huán)打設6根頂錨桿、8根幫錨桿及2根錨索，先施工頂錨桿后施工錨索，錨桿與錨索之間排距為500 mm，頂錨桿采用掘錨機組自帶頂鉆機同時施工，錨索采用液壓錨桿鉆機進行打設；施工錨索的同時，施工兩幫上部2根錨桿，兩幫下部2根錨桿滯后補打。

錨桿支護作業(yè)順序為：上W鋼護板組合構件→鉆錨桿眼→安裝樹脂錨固劑和錨桿→用錨桿機攪拌樹脂錨固劑至規(guī)定時間，停止攪拌后1 min內擰緊螺母至300 N·m，禁止超過380 N·m。

幫錨桿施工工藝：掛網→鉆孔→清孔→鋼護板安裝樹脂錨固劑和錨桿→攪拌樹脂錨固劑→等待1 min左右擰緊螺母至300 N·m，禁止超過380 N·m安裝其它幫錨桿。安裝幫錨桿時需緊跟掘錨機組安裝巷幫上部2 m錨桿，孔深要求為1900+20 mm，并調節(jié)鉆孔角度。最大空幫距離不得超過3 m。巷幫下部2根錨桿進行人工打設，人工打設的幫錨桿距離掘錨機組迎頭不大于20 m，預緊扭矩必須達到300 N·m，禁止超過380 N·m。

頂錨索施工工藝：鉆孔→清孔→安裝樹脂錨固劑和錨索→攪拌樹脂錨固劑→卸下攪拌器等待5 min裝上托板、錨具，用張拉千斤頂張拉錨索至設計預緊力。

3.2 效果分析

1）巷道圍巖變形量。15101工作面掘進期間采用十字布點法安設表面位移監(jiān)測斷面進行圍巖控制效果的監(jiān)測分析，監(jiān)測斷面布置形式如圖4所示。觀測方法為：在C、D之間拉緊測繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測讀AO、AB值；C、D之間拉緊鋼卷尺，測讀CO、CD值；測量精度為1 mm，并采用皮卷尺對監(jiān)測斷面與掘進工作面間距離進行測量；觀測頻度為：安裝完10 d之內，每天觀測1次。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置圖

根據(jù)表面位移的監(jiān)測結果能夠得出巷道表面位移曲線圖，如圖5所示。分析圖5可知，巷道在支護和掘進工藝下，頂?shù)装寮皟蓭妥冃沃饕霈F(xiàn)在滯后掘進工作面10 m的范圍內，在監(jiān)測斷面與掘進頭之間的距離大于10 m后，隨著滯后掘進頭距離的增大，巷道表面位移量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，不再增長，最終頂?shù)装逡平繛?0 mm，兩幫移近量為49 mm，充分保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖5 巷道表面位移曲線圖

2）掘進效率分析：根據(jù)15101運輸順槽掘錨一體機掘進作業(yè)，考慮作業(yè)人員配置和掘進過程的步驟及現(xiàn)場作業(yè)的空間限制，得到不同工序中工作人員數(shù)量范圍，最終算出最短的作業(yè)循環(huán)時間。在巷道掘進期間根據(jù)進尺的記錄數(shù)據(jù)可知，每月中，巷道進度逐漸增大，日進尺也逐漸增大，由每天18 m變成每天23 m；最大單班進尺數(shù)為12 m，最大日進尺23 m/d。掘進正常進行時完成1個循環(huán)的作業(yè)時間為45 min，包括7.8 min的割煤時間以及37.2 min的支護時間。最大月進尺508 m，每個工人效率提高0.14 m，循環(huán)周期降低35 min。

4 結論

根據(jù)15101運輸順槽支護方案及MB670掘錨一體機的特征，具體分析掘錨一體化工藝中的支護系統(tǒng)，確定掘進作業(yè)方式為連續(xù)作業(yè)2個循環(huán)進尺不退機組支護方案，結合巷道地質條件，具體進行掘錨一體化施工工藝的設計，并通過掘進工藝實施后的巷道表面位移及掘進效果分析可知，巷道在該支護方案和掘進工藝下圍巖穩(wěn)定，掘進效率提升明顯。