工作面大巷快速掘進工藝優化

晉 弘

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030020）

煤炭作為當前主要利用的資源之一，將來對煤炭資源的需求量將會越發增大。因此，需要提升煤礦的生產能力和生產效率以滿足實際應用的需求。目前，制約煤炭開采消費的主要原因為掘進效率低所導致。因此，實現煤礦采掘效率的平衡化對于保證礦上的開采效率非常重要，尤其是如今主要開采對象為深部煤層[1]。本文將結合實際生產對影響煤礦快速掘進的因素進行綜合分析，并最終對快速掘進工藝進行優化。

1 工程概況

本文以2#煤層所屬工作面為例開展系列研究，該工作面煤層的平均厚度為3.2 m，煤層平均傾角為6°。整體上，該工作面的地質條件處于層理并且節理發育狀態。經預測，工作面在實際掘進過程中所涌出的瓦斯的最大絕對值為0.36 m3/min。2#煤層所屬工作面的頂底板條件，如表1 所示。

表1 2#煤層所屬工作面頂底板條件

經對2#煤層所屬工作面地質條件的煤巖層的力學性能進行測試得出：該工作面基本頂的抗壓強度為19.27 MPa，直接頂的抗壓強度為4.84 MPa；工作面直接底的抗壓強度為26.21 MPa，基本底的抗壓前度為64.56 MPa。總的來講，2#煤層所屬工作面直接頂抗壓強度較小，即說明其穩定性較差，容易在巷道掘進過程中出現較大的變形。而且，工作面頂底板中的砂質泥巖和粉砂巖處于泥質膠結狀態，在實際掘進過程中當出現淋水和底板積水的情況會導致巖層軟化膨脹的情況，最終使得巷道的變形量增大[2]。

2 影響巷道快速掘進的因素分析

對于某個工作面巷道而言，影響其快速掘進的因素除了巷道本身的地質條件外，還需掘進巷道時所采用的設備、工藝以及支護效率相關。對于2#煤層工作面而言，由于該工作面處于地下的深度較大且對應的地應力也較大，其頂板的穩定性較差。因此，在進行掘進時需要花費較多的時間進行支護，間接了增加了巷道的掘進時間，即降低了巷道的掘進速度[3]。針對本工程影響其掘進效率的因素主要為支護效率和掘進工藝流程。

2.1 工作面地應力分布特征分析

在工作面共布置5 個測量孔對其地應力的分布特征進行分析，每個測量孔的具體技術參數，如表1所示。

表1 地應力測量孔具體參數

基于上述五個測量孔對工作面巷道的地應力進行測試分析可知：該工作面的最大主應力為25.3 MPa，且該最大主應力的朝向為東北-西南方向；根據巷道的走向方向，其掘進方向與最大主應力方向的夾角為18°。整體上講，該工作面巷道的應力較高，在實際掘進施工過程中兩幫巖層容易被破壞；因此，需加強對巷道兩幫的支護。

2.2 工作面圍巖松動圈測試

本工程采用型號為YTJ-20 型巖層探測儀對工作面的圍巖松動圈進行測試。所設計的窺視孔在現場的布置，如圖1 所示。

圖1 工作面圍巖松動圈測試窺視孔布置

如圖1 所示，分別在現場布置三個窺視孔。經測試，分別對工作面頂板、底板以及左右兩幫的破裂區域、裂隙發育區域、塑性變形區域以及穩定區域的范圍進行確定[4]。對于頂板而言，在0～0.8 m 范圍之內屬于破碎區，大于3.6 m 的范圍屬于穩定區域；底板的破碎區范圍在0～1.5 m 之間，穩定區域在大于4.9 m的范圍；左右兩幫在0～1.0 m 之間屬于破裂區域，穩定區域在大于4.2 m 的范圍。

本章對工作面巷道的地應力分布和圍巖松動圈測試結果分析將為后續掘進工藝的優化提供支撐。

3 快速掘進工藝的優化

目前，工作面采用EBZ160MH 掘進機實時巷道的掘進任務，該設備可實現掘錨護一體化設計。在整個掘進過程中包含有8 個工序及其每個工序所消耗的時間如下：交接班（15 min）、安全檢查（15 min）、割煤運煤（40 min）、敲幫問頂（10 min）、臨時支護（15 min）、頂部錨網（30 min）、幫部錨網（55 min）和清理（40 min）。在上述掘進工序下，設備每個循環進尺的長度為1.3 m，每天可推進8 個循環尺。則，在當前掘進工藝下每天可掘進工作面的速度為10.4 m/d。

為實現工作面巷道的快速掘進，在綜合分析該工作面巷道基本情況、地應力分布規律以及圍巖松動圈的測試結果后，主要從交接班、割煤方式、永久支護方式以及整體工序進行優化[5]。

1）交接班工序優化：針對此重點通過提升現場交接工作人員的標準化意識，并對涉及到的設計進行定期檢修。

2）永久支護方式的優化：綜合考慮巷道的地應力分布和圍巖松動圈的測試結果，確定永久支護方案如下：采用直徑為25 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿；其中頂部錨桿的間排距為750 mm×700 mm，兩幫錨桿間排距為700 mm×700 mm。頂板在錨桿支護的基礎上采用直徑為21.6 mm，長度為7 500 mm 的鋼絞線進行強化支護，間距為1 200 mm；兩幫在錨桿支護的基礎上采用直徑為21.6 mm，長度為4 300 mm 的鋼絞線進行強化支護，間距為1 000 mm。

實踐表明，在2#煤層工作面采用掘錨護一體化掘進工藝后，工作面巷道最高掘進速度可達15.7 m/d，平均掘進速度可達13.7 m/d，較原掘進工藝可提高31.7%。同時，采用掘錨護一體化掘進工藝后，現場參與掘進工作人員的數量每班從66 人降低至62 人；在實際掘進過程中巷道圍巖得到有效控制，其中頂板的最大離層量僅為36 mm，兩幫的最大移近量僅為120 mm。

4 結語

本著提高巷道掘進速度和效率，實現工作面采掘平衡的效果。本文以2#煤層所屬工作面為例，提出采用掘錨護一體化的掘進工藝，并通過實踐生產驗證優化后掘進工藝的應用效果。具體總結如下：

1）工作面的最大主應力為25.3 MPa，需加強對巷道兩幫的支護。

2）以EBZ160MH 掘進機為核心，在對其支護優化和工序優化的基礎上，工作面的掘進速度提升31.7%，人員數量可精簡4 人，同時在施工過程中可對圍巖進行有效控制。