掘錨機全斷面一次成巷技術應用研究

張雷雷

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046000）

我國是煤炭資源使用大國，由于煤炭資源的大量開采，賦存條件較好的煤炭資源量越來越少，因此埋藏深、賦存條件差的煤炭資源也成為開采目標[1-2]。在復雜地質條件下開采，受斷層、褶曲、陷落柱等構造影響，巷道掘進困難，支護難度大，頂板破碎，容易出現安全事故[3]。近年來，隨著巷道全斷面掘進錨護一次成巷技術的不斷進步，掘錨機得到煤礦的廣泛應用，復雜地質條件下巷道快速掘進得到安全保障。慈林山煤礦15105 工作面地質條件較為復雜，構造發育，存在大量小型斷層。該工作面運輸巷在掘進過程受斷層影響，頂板破碎，對巷道的掘進速度以及支護安全造成嚴重影響。掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術不僅能夠大幅提高巷道的掘進速度，保證工作面正常接替，還解決破碎頂板下的支護難題。

1 工作面概況

15105 工作面運輸巷位于15 采區，主采15#煤層，埋深500 m，該巷道用于工作面進風、行人、皮帶安裝。巷道設計長度為974.1 m，現已施工320 m，余654.1 m。巷道為矩形斷面，凈高5 m，凈寬5 m，凈斷面20 m2。巷道支護形式為錨網索支護，使用Φ20 mm×2000 mm 左旋螺紋鋼高強錨桿、Φ17.8 mm×8000 mm 鋼絞線錨索。頂板錨桿間排距布置為800 mm×1000 mm，中部4 根錨桿垂直頂板打設，巷道肩窩處錨桿呈75°打設，錨桿預緊力設計為50 kN；巷幫錨桿間排距布置為1000 mm×1000 mm，垂直巷幫打設，從頂板以下500 mm 開始打設，錨桿預緊力設計為50 kN。頂板錨索呈品字形布置，排距為1000 mm，第一排錨索打設于巷道中心，第二排錨索分別打設于巷道中心向兩幫1250 mm 處，錨索預緊力設計為120 kN。

2 圍巖賦存及其物理參數測定

15105 工作面運輸巷埋深為500 m，地質勘探資料顯示該巷道前方地質條件復雜，掘進過程中將揭露21 條斷層，斷層落差最小為0.5 m，最大為6 m，對巷道掘進以及支護安全影響較大，因此巷道頂底板圍巖巖性及其物理參數的掌握就尤為重要[4-5]。為保證掘錨機掘進錨護一次成巷技術在該巷道的順利應用，選擇合適位置對巷道頂底板圍巖施工取芯鉆孔，并測定其物理參數，見表1。

表1 圍巖賦存及其物理參數測定成果

15105 工作面運輸巷為沿煤層頂板掘進巷道，圍巖巖性自巷道頂板依次往上分別為泥巖、中粒砂巖、砂質泥巖、粉砂巖，厚度分別為0.8 m、5.4 m、2.5 m、4.4 m；自巷道底板依次往下分別為砂質泥巖、細砂巖，厚度分別為6.6 m、10.4 m。巷道偽頂、直接頂厚度為6.2 m，圍巖物理強度較低，受斷層影響，頂板支護困難問題難以解決。

3 掘錨機掘進錨護一次成巷技術

15105 工作面運輸巷凈寬為5 m，頂板承壓面積大，并且受構造發育影響，頂板應力來源復雜。通過對圍巖進行取芯測定后發現巷道頂板圍巖強度較低，容易受采掘活動影響造成圍巖變形。使用綜掘機掘進無法及時對頂板進行支護，容易造成頂板冒落，給現場施工人員帶來安全風險[6-7]。綜合考慮各因素，擬采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術改進巷道施工工藝。該技術主要有以下優勢：

（1）掘錨機可以在掘進完成后無需將設備后退，立即可以對頂板支護，能夠有效提高巷道的施工速度，同時保證巷道圍巖的整體性，減少變形。

（2）掘錨機本身具備更加先進的臨時支護設備，能夠快速對頂板進行臨時支護，保證工人在頂板破碎區域無需承受頂板冒落的風險，更加安全。

（3）掘錨機的一次成巷施工工藝能夠大幅減少現場工人的作業強度，巷道成型速度快，成型質量好，不僅能夠減少人工成本的投入，還能加快工作面的采掘接替，為礦井創造效益。

4 數值模擬及參數優化

MB670 型號掘錨機適用于地質條件復雜巷道的快速掘進，能夠控制巷道頂板間距為0.7～1.5 m，并且能夠減少對巷道底板的破壞程度。根據MB670型號掘錨機的基礎參數，在采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術時，需要對巷道圍巖變形情況進行數值模擬。

為保證使用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術后巷道的成型質量，進行了數值模擬，測試成巷后圍巖變形情況。

本次模擬采用FLAC3D仿真計算軟件，根據15105 工作面運輸巷地質條件，使用該巷道圍巖巖性及測定得到的相關物理參數建立數值模型，測試不同支護參數下巷道圍巖的變形情況，選擇最適合的支護方案。首先進行不同錨桿長度對巷道圍巖變形控制效果的模擬測試，結果如圖1 所示。由圖1可知，當錨桿的支護長度分別為1.8 m、2 m、2.2 m、2.4 m 時，巷道頂板圍巖的下沉量分別為57 mm、50 mm、37 mm、33 mm。原支護方案中，錨桿的支護長度為2 m。根據數值模擬結果發現，當錨桿的支護長度越長，巷道頂板圍巖穩定性越高，但支護長度為2.2 m 與2.4 m 時，巷道頂板下沉變化差距不大，因此錨桿的支護長度選擇2.2 m 最佳。

圖1 頂板下沉量隨錨桿長度變化曲線圖

進行錨桿、錨索不同支護排距對巷道圍巖變形控制效果的模擬，結果如圖2 所示。由圖2 可知，當錨桿、錨索的支護排距分別為0.7 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m 時，巷道頂板下沉量分別為60 mm、63 mm、72 mm、79 mm。數值模擬結果表明，錨桿、錨索支護排距越小，巷道頂板圍巖穩定性越高，但錨桿、錨索支護排距為0.7 m 和0.8 m 時，巷道頂板下沉差距不大，因此錨桿、錨索支護排距選擇2.2 m 最佳。

圖2 頂板下沉量隨錨桿、錨索排距變化曲線圖

5 應用效果

在15105 工作面運輸巷采用掘錨機全斷面掘進錨護一次成巷技術支護參數后，巷道的掘進速度由4 m/d 提高至10 m/d。對成型巷道現場圍巖進行了變形監測，監測結果表明，巷道成型后1 個月巷道頂板下沉量為39 mm，巷幫移近量為52 mm，比原綜掘機掘進時圍巖變形量分別降低58.6%和63.7%。