大斷面巷道支護及快速掘進施工工藝優(yōu)化

任澤哲

（晉能控股集團四老溝礦機掘三隊， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)已經(jīng)步入綜采、綜掘時代，同時已經(jīng)有必要的設備和先進的技術做支撐。與此同時，在當前高強度煤炭開采作業(yè)的推動下，工作面對大型設備的需求越來越高，這就對巷道的掘進力度也提出了更高的要求。因此，如何對大斷面巷道實現(xiàn)快速掘進并保證后續(xù)的生產(chǎn)尤為重要[1]。本文重點在對大斷面巷道進行高效支護的基礎上，對其必要的掘進工藝進行優(yōu)化，以保證掘進效率和巷道的成型質量。

1 利民煤礦011603 工作面工程概況

本文以利民煤礦下屬的011603 工作面為例開展研究。利民煤礦的原始儲量為111.68 Mt，在最初該煤礦的生產(chǎn)能力為0.6 Mt/年，后續(xù)隨著設備的更替和技術的進步，目前該煤礦的生產(chǎn)能力為1.5 Mt/年。011603 作為利民煤礦的下屬綜采工作面，該工作面煤層的厚度范圍為3.3～7.8 m，煤層平均厚度為7.2 m；工作面煤層的傾角范圍為3°～12°，煤層平均傾角為6°。011603 綜采工作面頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 011603 綜采工作面頂?shù)装鍡l件

經(jīng)探測可知，011603 綜采工作面的最大涌水量可達95 m3/h，一般情況下的平均/正常涌水量為5.3 m3/h。由工作面煤層涌出瓦斯的相對值為1.98 m3/t。

總的來講，011603 綜采工作面的地質環(huán)境相對復雜且頂板主要以砂質泥巖為主，導致頂板施工的難度增加，進而影響巷道的掘進速度；其次，工作面受采空區(qū)積水的影響也是制約煤礦快速掘進的主要因素[2]。最后，工作面煤層瓦斯的涌出量較大，也對工作面的快速掘進工藝提出較大的挑戰(zhàn)。

2 大斷面巷道的支護設計

2.1 錨桿支護參數(shù)的確定

若想保證大斷面巷道的快速掘進，首先得保證工作面的良好支護狀態(tài)。因此，本小節(jié)結合011603綜采工作面的實際情況通過數(shù)值模擬手段最終確定最佳支護方案。目前，巷道主流支護方案為錨桿+錨索聯(lián)合支護，本小節(jié)重點通過數(shù)值模擬手段對錨桿直徑、長度、錨桿支護密度等參數(shù)進行確定。

2.1.1 錨桿直徑

鑒于011603 綜采工作面的頂板條件和巷道斷面面積等參數(shù)與16 號煤層工作面參數(shù)的相差不大。因此，011603 綜采工作面的頂錨桿和幫錨桿直徑借鑒16 號煤層的選型結果。即：頂錨桿采用直徑為20mm的高強度左旋螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿采用直徑為18 mm 的高強度玻璃鋼錨桿。

2.1.2 錨桿長度

在對不同錨桿長度對應的支護效果進行對比之前，確定的其他變量的參數(shù)如下：頂錨桿直徑為20mm，兩幫錨桿直徑為18 mm，錨桿間距和排間距均為1000 mm。仿真結果如下頁圖1 所示，隨著頂錨桿長度的增加，工作面底鼓量、兩幫移近量和頂板下沉量均降低。區(qū)別在于當頂錨桿長度大于2.4 m 后，減小的效果不是很明顯。因此，最終確定頂錨桿的長度為2.4 m。同理，確定兩幫錨桿的支護長度為2.0 m。

圖1 不同錨桿長度對應的支護效果

2.1.3 不同錨桿支護密度

在對不同錨桿支護密度對應的支護效果進行對比之前，確定的其他變量的參數(shù)如下：頂錨桿直徑為20 mm，兩幫錨桿直徑為18 mm；頂錨桿長度為2.4 m，兩幫錨桿長度為2.0 m。分別對錨桿間距為0.8 m、1 m、1.2 m 所得的仿真結果如圖2 所示。

圖2 不同錨桿間距對應的巷道變形量

如圖2 所示，隨著錨桿間距的減小，對應巷道的變形量逐漸減小。不同的是，錨桿密度由1200 mm、1200 mm 減小為1000 mm、1000 mm 時巷道變形量的減小趨勢明顯大于錨桿密度由1000 mm、1000 mm 減小為800 mm、800 mm 的情況。

因此，將工作面頂錨桿密度確定為1000 mm、1000 mm 為最佳；而對于兩幫錨桿而言，在工程中可適當增加幫錨桿的間距，即確定幫錨桿支護密度為1000 mm、1200 mm。

2.4 錨索支護參數(shù)的確定

錨索長度的確定需根據(jù)錨索深入至頂板圍巖的錨固長度、工作面頂板不穩(wěn)定圍巖的厚度、錨具的厚度以及錨索的外露長度綜合確定[3]。本工程中，設計錨索深入至頂板圍巖的錨固長度為2 m，不穩(wěn)定巖層的厚度為2.3 m，錨索的外露長度為0.3 m，錨具的長度為0.1 m。在上述基礎上再乘以1.1 倍的安全系數(shù)得出錨索支護長度為5.17 m，本工程將其數(shù)值圓整為5.20 m。

同理采用數(shù)值模擬方法得出最佳的錨索間距。經(jīng)仿真分析，本工程對應的最佳錨索密度為2400 mm、2400 mm。

綜上所述，得出大斷面011603 巷道的支護方案如圖3 所示。

圖3 大斷面巷道的最終支護方案（單位：mm）

3 快速掘進工藝的優(yōu)化

在上述合理支護的基礎上，需綜合011603 綜采工作面的地質條件完成掘進設備及其配套設備的選型，設計高效的掘進施工工藝，并配置高素質的隊伍和科學的施工組織管理才能夠最終達到快速掘進的效果[4]。

3.1 掘進機及配套設備的選型

結合011603 綜采工作面的地質條件和掘進機的選型原則，最終確定選用EBZ200 型的懸臂式掘進機對巷道進行掘進操作，與EBZ200 掘進機配套的其他裝備如表2 所示。

表2 與掘進機配套的裝備

3.2 掘進工藝的優(yōu)化選擇

在實際掘進操作中，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取最有效的掘進工藝。具體如下：

1）當工作面地質條件好時，掘進機采取中心進刀的方式開展掘進任務；與此同時，還在巷道四周進行刷幫操作。

2）當工作面頂板圍巖出現(xiàn)破碎的情況，應對工作面分兩次進行掘進。首先，先對巷道1/3 的寬度進行掘進；其次，再對剩余的2/3 的巷道進行掘進。采取該種掘進工藝可進一步縮短空頂時間，從而保證巷道掘進的安全性。

3）當在掘進過程中出現(xiàn)地應力大的情況，且巷道兩幫極易發(fā)生片幫的現(xiàn)象時，在此種情況下為了縮短兩幫的暴露時間應首先從巷道斷面中間進行掘進，其次再進行刷幫操作。

4 結論

1）011603 綜采工作面巷道的最終支護方案為：頂錨桿直徑為頂錨桿直徑為20 mm，兩幫錨桿直徑為18 mm，頂錨桿密度確定為1000 mm、1000 mm，幫錨桿支護密度為1000 mm、1200 mm，錨索支護長度為5.20 m，錨索密度為2400 mm、2400 mm。

2）根據(jù)現(xiàn)場情況合理調整掘進工藝后，巷道的掘進效率提高了近40%。