5125 巷道快速掘進技術的設計及應用研究

胡海濤

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037027）

馬脊礦位于山西大同煤田西北邊緣，5125 巷道屬于半煤巖巷道，煤層厚度1.14 m，結構簡單，平均埋深137.8 m，巷道開挖總斷面16.2 m2，其中煤層、巖層面積分別是6.16 m2和10.04 m2。掘進速度慢是面臨的主要問題。

1 5125 巷道快速掘進技術設計

1.1 掘進方式選擇

煤礦巷道掘進工藝有鉆孔爆破和掘進機、盾構機等機械掘進[1]方式，結合5125 巷道實際情況，設計應用綜掘方式[2]。

采用掘進機等機械方式掘進，除配置掘進機外，還需刮板輸送機、錨桿鉆機、運輸機以及裝載機等后配套設備。5125 半煤巖巷道選用EBZ-260H 型掘進機，沿煤層底板破頂掘進，配套使用CMM2-21 液壓錨桿鉆車完成掘進、支護聯合施工作業。掘進中，掘進機循環進尺2800 mm，一次進刀1000 mm，最小、最大控頂距≤800 mm、3000 mm，當每一掘進循環進尺結束后，安設錨桿完成支護作業。掘進機進刀示意圖如圖1。

圖1 進刀示意圖

1.2 綜掘施工流程

依據5125 巷道地質條件，確定該巷道具體掘進施工流程為：掘進機一次截割成巷→從煤層底板進行挑頂掘進施工→掘進、支護依次作業。

使用掘進機掘進時，掘進機進刀落煤、出煤（矸），煤矸運輸流程為：掘進機鏟板→一運→膠帶、刮板運輸機→工作面溜煤眼→大巷刮板運輸機→溜煤眼→大巷主膠帶輸送機→轉載硐室刮板運輸機→大巷主膠帶輸送機→地面煤倉。

2 巷道支護設計

2.1 巷道支護技術理論設計

2.1.1 支護參數設計

巷道支護基于懸吊理論[3]對頂板支護參數設計。式（1）為錨桿長度計算公式：

式中：K為安全系數，取值1.5；H為冒落拱高度，m；L1、L2依次是深入到穩定基巖的錨桿長度、外露長度，取值0.7 m、0.05 m。

冒落拱[4]計算公式如式（2）：

式中：W為巷道開挖寬度，取值5.4 m；f為巖石的堅固性系數，粉砂巖大小取5。通過計算得到H=0.54 m，因此，錨桿長度L≥1.56 m。

依據上述錨桿計算結果，選用Ф18 mm×2100 mm 的螺紋鋼錨桿。通過懸吊面積[5]來確定錨桿間排距，如式（3）：

式中：Q為設計錨固力值，取85 kN/根；K為安全系數，取值2；H為冒落拱高度，取值0.54 m；R為粉砂巖的重力密度，取值23 kN/m3。通過計算得到A=3.43 m2。

在錨桿支護參數設計中，為實現巷道快速掘進支護以及支護安全性，確定錨桿間排距1000 mm。

巷道錨索長度設計，將巖體內的粘接力、內摩擦力忽略不計，依據豎直方向的平衡力考慮，則錨索長度[6]計算公式如式（4）：

式中：n為錨索排數，取1；B、H分別是巷道最大冒落寬度、高度，取5.4 m、2.1 m；g為巖體容重，取23 kN/m3；Q和Q1分別是錨桿錨固力值和極限承載力值，取85 kN/根、190 kN/根；q是巷道頂板、錨桿間所成夾角，取90°。通過計算得到L3=2.1 m，由于計算得到的錨索長度較短，依據礦井配套錨索規格選用Ф15.24 mm×7300 mm。

幫錨桿長度[7]參數設計依據加固幫體效果，需遵循：

式中：L1、L6、L7依次是錨桿外露、有效以及錨固長度，外露長度≤0.05 m，錨固長度取0.3 m。

錨桿有效長度[8]計算公式如式（6）：

式中：f普氏系數，取值1.5～2；W為巷道寬度，m。因此計算可得L6=1.29～1.31 m，所以幫錨桿長度L=1.64～1.66 m。基于理論計算結果，幫錨桿選用Ⅱ級螺紋鋼錨桿，規格為Ф18 mm×1800 mm。

掘巷中，由于錨桿永久支護和掘進頭存在一定距離，為實現對巷道頂板的支撐，通常要求安設少許錨桿，保證不會出現頂板垮落。空頂范圍內頂板重量[9]公式如式（7）：

式中：b為垮落高度，取值0.2～0.3 m，本文取0.25 m；W為巷道寬度，取值5.4 m；R為細粒砂巖密度，取值23 kN/m3；S為當出現最大空頂距時，一根錨桿所能承載力的距離大小，取值1 m。通過計算得到G=31.1 t。

巷道錨桿臨時支護數量[10]計算公式如式（8）：

式中：K為安全系數，取值2；G=31.1 t；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；Q為錨桿抗拔能力值，取值160 kN/根。計算得到N=3.81，為保證礦井安全生產，5125 半煤巖巷道臨時支護錨桿數量選用4。

2.1.2 巷道支護方案及施工流程

根據上述計算，頂、幫錨桿均采用Ⅱ級螺紋鋼錨桿，規格分別為Ф18 mm×2100 mm、Ф18 mm×1800 mm，與Ф15.24 mm×7300 mm 高強度錨索聯合支護，錨桿間排距、錨索排距分別是1000 mm×1000 mm、2000 mm。同時，在頂板左右頂角處增加錨桿，與巷道垂直方向成15°，規格同頂錨桿。支護布置如圖2。

圖2 5125 巷道錨桿支護布置圖（mm）

5125 巷道支護流程：全斷面截割煤完成一個循環距離→敲幫問頂→掛網進行鉆孔施工→安設錨桿并對其緊固。用MQT-130 風動錨桿鉆機，配合B19×1000 mm、2200 mm 兩種型號鉆桿及兩翼合金的Ф28 mm 鉆頭打眼。

2.2 錨桿支護及時性分析

巷道快速掘進中，影響巷道掘進速率的關鍵是能否及時支護。為驗證巷道及時支護的必要性，對比5125 巷道滯后距離分別為3 m、5 m 時的巷道頂板垂直應力變化情況，如圖3。

圖3 巷道頂板垂直應力分布圖

從圖3（a）中可看出，滯后5 m 時，垂直應力減小區位于巷道支護前端和掘進面，尤其是在位于掘進面2.5～3 m 的位置，垂直應力大小降低最為顯著，這也表明此位置處出現頂板垮落的危險性最大。圖3（b）中，滯后3 m，沒有出現明顯的應力減小區，這也表明在掘進機一個掘進循環內，及時采取巷道支護措施，能夠明顯使巷道的變形量、頂板垮落的危險性減小。

掘進機伸出的前梁在5125 巷道中可發揮臨時支護效果。因此，在巷道掘進中，應用EBZ-260H 型掘進機，在提升巷道掘進速率的同時，又降低了因巷道開挖還沒有及時支護產生的冒頂事故危險性。

3 對比應用分析

為獲得采用快速掘進支護工藝后5125 巷道的實際掘進效果，主要監測掘進機一個月內的掘進量，并對比分析采用普通掘進工藝時的月掘進量。5125巷道快速掘進實行“三八制”作業模式，即兩班掘進、一班檢修，因此，日掘進量為兩班相加后得到的掘進進尺。記錄一個月的進尺量，見表1。

表1 中，5125 巷道每班掘進量是6.3 m，日掘進量是12.6 m。監測期內，3 日四點班、4 日零點班，掘進中出現小斷層，為確保巷道安全掘進，當天未能按規定量完成掘進，斷層過后，又正常完成每天掘進量；12 日、26 日，設備故障；25 日，改進通風裝置；11 日零點班，檢查衛生；15 日四點班倒班；28 日處理雜活；29 日安裝帶式輸送機，均未按規定完成當天掘進量。其余時段，每班都能完成掘進量，月掘進量356.9 m。

表1 5125 巷道月掘進進尺匯總結果

進一步對比分析采用傳統掘進工藝的月掘進量，掘進機型號為EBZ-160，同樣統計一個月內的掘進量，見表2。

表2 中，使用EBZ-160 型掘進機，日掘進量約是全斷面快速掘進的三分之一，且每班掘進量相同，均為2.2 m，所以一個月內的掘進量是129.4 m。對比表1 可知，采用EBZ-162 型掘進機一個月內的掘進量是采用快速掘進一次成巷的三分之一。

表2 5125 巷道月生產情況匯總結果

4 結論

（1）依據5125 巷道特點，采用EBZ-260H 型掘進機配合液壓錨桿鉆機完成巷道的全斷面掘進和支護。

（2）巷道錨桿支護方案為：頂、幫錨桿均采用Ⅱ級螺紋鋼錨桿，并和高強度錨索聯合支護，同時，在頂板左右頂角處增加錨桿，與巷道垂直方向成15°。

（3）現場統計5125 巷道月掘進量，快速掘進工藝是356.9 m，傳統掘進量是129.4 m，表明提升設備和改善掘進工藝后，5125 巷道掘進速度顯著提升。