半煤巖巷道快速掘進方案及支護設計

李繼蘇

（山西馬堡煤業有限公司， 山西 長治 046300）

引言

隨著綜采自動化水平和技術的進步，我國的綜采速度和效率顯著提升。對于煤礦生產而言，除了關鍵的煤層開采外還包括有煤礦建設、回采巷道的掘進任務，而煤礦建設和回采巷道的掘進速度無法與綜采速度相匹配。尤其是對于巖巷，由于巖層硬度較大、掘進設備自動化水平低以及技術落后等原因掘進效率遠滯后于煤層的開采效率[1]。因此，通過對掘進設備及技術的改進，應配套合理有效的支護方案提升巷道的掘進效率和最終的巷道成型質量。本文重點開展半煤巖巷道的快速掘進技術研究，并為其匹配最佳的支護方案。

1 工程概況

半煤巖巷道與常規巖巷和煤巷有本質的區別，該類型巷道在掘進時為保證巷道的高度需要對煤層或者巖層額外掘進一部分才能夠滿足要求。針對半煤巖巷道可采用挑頂和臥底兩種掘進方式實現對巷道的掘進，具體掘進方式需結合礦井的實際情況綜合確定[2]。

本文以礦井431301 膠運巷的掘進為例開展研究，該巷道傾角范圍為0～3°，該巷道掘進完成后為綜采工作面，該工作面的煤層平均厚度為1.14 m，屬于薄煤層；煤層的平均硬度為3.5。經探測，該工作面瓦斯的相對涌出量為0.11m3/t，絕對涌出量為1.87m3/min。431301 工作面煤層的頂底板情況如表1 所示。

表1 431301 工作面頂底板情況

煤層和巖層的性質是影響半煤巖巷道掘進方式的主要因素。為保證巷道的掘進效率，在實際掘進任務時應盡可能地避免與相對較硬或者相對較軟的巖層或煤層相接觸。對于巷道的圍巖性質而言，一般通過巖層的單軸抗壓強度、節理間距、巖芯質量指標、節理條件以及地下水條件綜合分析，最終通過RMR值對巖層的性質進行反映。通過勘測，431301 工作面基本頂細粒砂巖對應的RMR 值為40；煤層的RMR值為27；底板粉砂巖的RMR 值為42。

經分析可知，431301 工作面頂板細粒砂巖和底板粉砂巖的RMR 值為煤層RMR 值的1.5 倍，說明431301 工作面的頂底板條件良好且簡單，具備實現快速掘進的條件。

2 半煤巖巷道掘進方式的確定

對于具備快速掘進條件的半煤巖巷道，巷道的層位選擇尤為重要，巷道層位形式的確定需遵循如下原則：

1）所確定巷道的層位形式需綜合考慮工作面綜合機械化開采的要求；

2）所確定巷道的層位形式需兼顧后期巷道的支護形式，保證其符合快速掘進的要求；

3）所確定巷道的層位形式能夠保證巷道一次完成成型和支護[3]。

半煤巖巷道可采用的掘進方式包括有挑頂巷道掘進、臥底巷道掘進以及挑頂兼臥底巷道的掘進方式。為保證掘進速度及效率最佳，本節將基于FLAC3D 軟件對不同掘進方式下的巷道的應力進行仿真分析。根據431301 工作面的頂底板情況建立仿真模型，模型中從上到下分別為細粒砂巖、煤層和粉砂巖。根據實際勘測的巖層和煤層參數對模型中的參數進行設置。設置完畢后，對不同層位形式下巷道開采后的應力情況進行仿真分析，最終選擇應力最小層位進行開采。

不同層位巷道開采時的應力仿真結果如圖1所示。

圖1 不同層位巷道開采時的應力云圖

如圖1 所示，圖1-1 中巷道上方兩個角落處應力數值較大且為應力集中現象，而在下方兩個角落處的應力較小并未出現應力集中現象；圖1-2 中巷道上方兩個角落處應力數值較小并未出現應力集中現象，而在下方兩個角落處的應力較大且存在應力集中現象；圖1-3 中巷道上下兩放四個角落的應力值均較大且均出現了應力集中現象。因此，采用挑頂層位巷道開采時僅需對巷道頂板兩個角落處進行支護；采用臥底層位巷道開采時僅需對巷道底板兩個角落處進行支護；采用挑頂兼臥底層位巷道開采時需對巷道四個角落及巷道進行支護[4]。

綜合考慮快速支護的條件和快速掘進的要求，頂板支護技術更加成熟且便于實施，本工程將采用挑頂層位的方式對巷道布置。

3 半煤巖巷道掘進方案及支護設計

3.1 半煤巖巷道掘進方案的設計

針對半煤巖巷道可選擇采用掘進機、盾構機的現代化機械掘進方案，還可以采用以傳統鉆眼爆破的掘進方式。為提升巷道的掘進效率和安全性，實現巷道的快速掘進，以掘進機為主的巷道掘進方式與鉆眼爆破掘進方式相比具有效率高、人員強度低以及安全性高的優勢，本工程采用以掘進機為主的巷道掘進方式[5]。結合對當前掘進機性能的研究，選用EBZ-260H 掘進機對巷道進行掘進，同時采用型號為CMM2-21 的液壓錨桿鉆車對巷道進行錨桿支護。為保證該工程巷道的掘進效率，在上述基礎上還需配置如表2 所示的機械設備。

表2 巷道掘進機械設備

為保證巷道的掘進效率，本工程采用“三八”制的工作制度，其中兩班為掘進任務，另外一班為檢修任務。

3.2 半煤巖巷道的支護設計

針對半煤巖巷道頂板，本工程采用常規的錨桿與錨索聯合手段進行支護，所選型錨桿的長度為1 800 mm，直徑為18 mm，錨桿間排距離為1 000 mm，錨桿間距為800 mm；對應錨索直徑為15.24 mm，錨索長度為7 300 mm，每平方米布置錨索的數量為4根。半煤巖巷道斷面支護示意圖如圖2 所示。

圖2 半煤巖巷道斷面支護示意圖（單位：mm）

經實踐表明，431301 巷道采用以EBZ-260H 掘進機為主的掘進方案掘進時，每月巷道的掘進量為356.9 m；而采用傳統掘進方式每月巷道的掘進量僅為129.4 m。

4 結語

工作面巷道掘進為煤礦生產的主要環節之一，其與工作面采煤和礦井建設共同決定煤礦的生產效率。目前，煤礦生產效率的主要制約因素為巷道掘進效率與工作面采煤效率不匹配。為此，實現煤礦巷道的快速掘進尤為重要。針對431301 巷道為例采用挑頂層位的方式對巷道進行布置，并采用以EBZ-260H 掘進機為主的掘進方式對巷道進行掘進。與此同時，為保證巷道掘進的安全性重點對巷道頂板采用錨桿錨索聯合方式進行支護。實踐表明，431301 巷道的掘進效率為普通掘進方式的3 倍，達到了快速掘進的目的。