弱黏結復合頂板巷道快速掘進技術研究

魏海礁

（山西汾西宜興煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

近幾年，在礦井開采中隨著先進的、大功率機電設備應用推廣，煤炭生產效率及安全保障能力等均得以明顯提升[1-2]。相對于煤炭開采技術、設備而言，巷道掘進技術及設備仍有較大的提升空間，采面推進速度快而巷道掘進速度、掘進工程量大等導致礦井普遍面臨采掘接替緊張問題[3]。特別是巷道在弱黏結復合頂板條件下掘進時，巷道掘進效率更低，掘進速度較慢[4-6]。以山西某礦31106 運輸巷掘進為工程背景，巷道頂板為復若黏結復合頂板，針對制約巷道快速掘進因素進行分析，并給出掘進工藝及支護措施，實現了巷道快速掘進。

1 31106 運輸巷概況

山西某礦設計產能380 萬t/a，回采煤層包括2號、3 號、7 號、11 號及12 號等，礦井為高瓦斯礦井，正常生產期間絕對、相對瓦斯涌出量分別為36m3/min、7.1m3/t。現生產集中在11 號煤層，11 號煤厚7.3m、傾角3°～10°，煤層中有3～5 層碳質泥巖、泥巖夾矸，厚度合計0.5～1.7 m。31106 運輸巷沿著11 號煤層頂板掘進，長度2890 m，采用綜掘方式，使用綜掘機型號為EBZ-100E，圍巖采用錨網索支護方式。根據已有地質資料顯示，在31106 運輸巷掘進范圍內11 號煤層基本頂為粉砂巖，質地較為密實，厚度均值2.38 m，部分區域夾雜有菱鐵質薄層結構；直接頂為泥巖、細砂巖復合頂板，泥巖裂隙發育且含植物化石，細砂巖主要成分為石英砂，并含有一定量長石，直接頂厚度均值4.2 m；偽頂為0.3～0.9 m 泥巖、碳質泥巖，強度較低；直接底為泥巖，厚度3.5 m；基本底為石灰巖，厚度10.8 m，堅硬。

31106 運輸巷在掘進過程中受現場條件制約，巷道實際掘進進尺僅為180 m/月，通過分析發現制約巷道掘進效率提升的因素為：31106 運輸巷所在區域內地質構造較為復雜，預計掘進期間會揭露多條落差介于0.8～3.6 m 斷層，在斷層影響區會影響掘進速度；運輸巷沿著11 號煤層頂板掘進，而煤層頂板為典型的復合頂板，整體結構不太完整，導致巷道在掘進期間容易出現冒頂、片幫以及圍巖變形量大等問題；復合頂板會給31106 運輸巷成型帶來影響，在頂板結構影響下巷道掘進工作開展難度較高，導致巷道無法實現快速掘進。

2 31106 運輸巷快速掘進優化

2.1 掘進設備選型優化

合適的掘進設備是保障巷道快速掘進的基礎，在選用掘進設備時應綜合考慮下述因素：掘進設備應具備較好的經濟性，且設備與井下現有的運輸等輔助設備配套；掘進設備應有一定的富裕度，以便保證不同設備間可合理配合，實現掘進系統高效運轉；由于31106 運輸巷掘進區域地質條件、頂板條件相對較為復雜，因此選用的掘進機應在截割深度、功率及截割高度等方面有較強的適應能力，具備有較快掘進速度及靈活性[7-9]。

根據上述分析并結合礦井現場情況、掘進設備配備情況，決定在31106 運輸巷選用EBZ200 掘進機掘進，該掘進機具備有較好的爬坡性能、截割齒破巖效率高、智能化程度高，同時設備運行時發熱量低、日常維護及檢修工作量小，可大幅減少設備故障引起的掘進停止問題。

2.2 快速掘進工藝

2.2.1 截割工藝優化

掘進用的EBZ200 掘進機截割齒排列緊密，設備運行工況可達到325 kW，能有效提升掘進破煤巖效率。綜掘機截割效率與截割進刀路徑有密切關聯。因此針對頂板條件相對較好、頂板破碎兩種條件采用不同的截割路徑，以便進一步提升截割效率。根據現場地質條件變化選用合適截割路徑，具體如圖1 所示。當掘進區域內巷道圍巖條件相對較高，則綜掘機截割部采用中心進刀后逐步向四周刷擴方式掘進，具體截截割路徑如圖1-1 所示；當掘進區頂板破碎、穩定性較差時，將截割面劃分前后順序并逐漸截割，通過減少截割過程中頂板空頂及懸空面積，提高掘進安全性同時不會給巷道掘進效率產生明顯影響，具體截割工藝為：先截割掘進面1/3 寬度，此部分截割完成后再截割剩余部分，截割路徑如圖1-2 所示。

2.2.2 作業工序優化

對以往巷道掘進作業過程進行分析，在巷道掘進時支護耗時占整個掘進時間50%以上，若對作業工序進行優化，在巷道支護時平行開展其他一些工作，即可顯著提升巷道掘進效率。巷道支護時錨桿及錨網支護施工相對簡單，但是在錨桿安裝時需暫停掘進作業，在對作業工序進行優化時可對巷道圍巖中容易失穩位置進行支護，其余位置支護則支護迎頭10～20 m開展，從而實現部分支護與掘進工作平行開展，降低支護對掘進影響，實現不同工序交叉平行作業，具體工作安排如圖2 所示。在幫錨桿施工時可平行開展延長帶式輸送機工作、在掘進機維護期間可延伸供電電纜等，通過多工序平行作業，提高工作效率。

圖2 多工序平行作業示意圖

2.3 掘進支護工藝優化

巷道采用錨桿支護圍巖，采用的圍巖支護技術耗時長，難以滿足31106 運輸巷高效掘進需要，同時31106 運輸巷頂板為弱黏結復合頂板，在掘進時頂板冒落風險較高，導致臨時支護耗時長且管理難度高，后續頂板錨網容易形成網兜。為此，對31106 運輸巷采用的支護工藝進行優化，具體支護方案為：首先在巷道迎頭頂板布置7 根錨桿，將巷道頂板最大空頂距控制在2 m 以內；巷幫8 根錨桿滯后掘進迎頭10 m開始，降低巷幫錨桿施工對掘進影響；頂板錨索之后掘進迎頭20 m 開始，降低頂板錨索施工對掘進影響，具體巷道支護斷面如圖3 所示。

2.4 作業循環優化

在巷道掘進時需消耗大量的人力及物力資源，且工作人員勞動強度較大，雖然綜掘設備應用可在一定程度降低工作人員勞動強度，但是工作人員作業效率會明顯影響掘進效率。結合31106 運輸巷現場地質條件、掘進隊人員配置等情況，巷道掘進采用“三·八”作業循環方式，中班及晚班進行掘進及圍巖支護，早班進行檢修及設備維護，同時中班負責支護質量檢查工，以便發現支護質量問題及時處理，提高支護體系支護強度。

3 結論

對影響31106 運輸巷快速掘進因素進行分析，巷道頂板為復合頂板以及掘進區域內地質構造相對復雜是導致巷道掘進效率不高的因素之一，同時掘進設備、支護安排等也會在一定程度影響掘進進尺。為實現31106 運輸巷高效掘進，根據現場條件選用EBZ200 掘進機破煤巖，充分發揮掘進機可靠性強及功率大優點。

對掘進截割進刀、支護及循環作業方式等進行優化。在地質條件較好、頂板較穩定區域采用中間進刀方式，實現快速掘進；在頂板破碎、穩定性不佳區域則通過分部進刀方式截割，便于提高頂板穩定性并提高截割效率。頂板錨桿僅跟迎頭支護、巷幫錨桿滯后迎頭10～20 m、頂板錨索滯后迎頭20 m 支護，在滿足圍巖控制需要同時降低支護給掘進影響?，F場應用后，31106 運輸巷掘進進尺可達到350 m/月，不僅可實現弱黏結復合頂板控制需要，而且提高了巷道掘進效率。31106 運輸巷耗時8.3 個月即可完成掘進，可為31106 工作面早日投產爭取時間。