復雜條件下巷道快速掘進技術研究

任兆星

(汾西礦業正旺煤礦,山西 孝義 032300)

隨著煤炭采掘深度不斷增加,回采巷道掘進受地質構造、瓦斯、水害等影響更趨明顯,不僅制約巷道掘進效率,而且存在一定的安全風險[1-2]。隨著大功率、先進開采設備的應用推廣,采面推進速度明顯增加,礦井普遍面臨采掘接替緊張的問題。如何實現復雜條件下巷道快速掘進,是煤炭開采期間需要重點解決的問題[3]。眾多技術人員對巷道快速掘進技術展開研究,其中劉永強[4]結合3506運輸巷現場條件,提出引進MBZ260M掘錨一體機提高巷道掘進效率,并從掘錨一體機結構組成、施工方案以及現場應用效果等進行分析;任俊[5]針對四老溝礦1021運輸巷道現場情況,從改進掘進機截割工藝、增設液壓前探梁等方式提高破巖效率并維護迎頭頂板穩定,調整錨桿施工順序及位置等提高圍巖支護效率;唐小波[6]針對紅柳礦掘進區域煤層厚度變化大、地質構造發育等問題,提出通過快速截割、設定合理支護參數、優化人員組織以及提高輔助運輸效率等提高巷道掘進效率;王學強等[7]提出將智能化快速掘進工藝應用到15212工作面巷道掘進中,構建的智能快速掘進系統包括掘錨一體機、錨桿鉆機、變頻帶式輸送機以及橋式轉載機等,并通過先進的控制系統、組織安排等實現錨掘、運輸等環節平行作業,現場應用后巷道單體掘進進尺可達到120 m,月進尺可超過2 700 m.

上述研究成果表明,提升掘進巷道綜合機械化水平、引進先進設備、合理制定支護參數實現圍巖快速支護以及合理進行施工組織安排等是實現巷道快速掘進的關鍵所在。

山西某礦6503運輸巷掘進區域條件復雜,受頂板破碎、瓦斯涌出、巷道斷面大等多重因素影響,文章結合6503運輸巷現場條件并結合前人研究成果,提出通過合理布置設計巷道支護參數、引起先進掘進及支護設備等方式提高巷道掘進效率,以達到快速掘進目的。

1 工程概況

6503運輸巷沿著回采的5號煤層底板掘進,掘進區域內煤層賦存較為穩定,煤層厚度均值7.8 m、埋深590 m,煤層傾角2°～15°。5號煤層結構較為復雜,中上部有2～5層泥巖、炭質泥巖夾矸,夾矸總厚度為0.56～1.27 m,煤層頂底板巖性以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖以及石灰巖為主。

6503運輸巷設計為矩形斷面,凈寬、凈高分別為5.8 m、3.6 m,設計掘進長度為2 980 m.掘進區域內水文地質條件較為復雜,在巷道掘進前通過物探及定向長鉆孔等方式對富水區進行探測、疏排,預計巷道掘進期間涌出量較小;根據物探成果及鄰近巷道掘進揭露資料顯示,6503運輸巷在掘進期間會揭露多條斷層,斷層影響區圍巖較為破碎。結合6503運輸巷現場實際條件,分析制約巷道快速掘進的因素主要為:地質賦存條件較為復雜,6503運輸巷埋深較大,在巷道掘進期間容易出現圍巖大變形、冒頂、片幫等問題,對巷道圍巖支護強度有較高要求,從而導致巷道支護耗時較長;截割破巖、運輸、錨桿索支護等工作量大,若采用的設備機械化、自動化程度偏低,不僅勞動強度大而且效率不高。

2 巷道快速掘進技術研究

由于6503運輸巷為斷面較大的矩形巷道,頂板及巷幫均為承載能力及穩定性相對較差的煤層,在巷道掘進期間容易出現頂板、巷幫變形破壞問題。采用的掘進工藝不僅需滿足快速掘進要求,還要確保圍巖穩定及現場施工安全,在可靠臨時支護、永久支護等保護下實現掘—支—運等工序高效運行。為實現6503運輸巷快速掘進,提出引進錨掘一體機機組施工。對6503運輸巷采用的圍巖支護參數,以及掘進工藝重點分析如下。

2.1 圍巖支護設計

6503運輸巷圍巖支護設計依據組合梁理論、懸吊理論等,通過工程類比法綜合確定,具體設計的運輸巷支護斷面見圖1.頂板采用錨桿、錨索及金屬網支護,巷幫采用錨桿、金屬網支護。頂板支護用錨桿規格為Φ22 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿,每排布置8根,間排距為800 mm×800 mm,錨桿采用2支Z2360樹脂錨固劑加長錨固,錨桿施加預緊力矩為240 N·m;錨桿配套的托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm;一排錨桿間采用長度5 700 mm、寬度140 mm的T型鋼帶連接,鋼帶上間隔800 mm有錨桿孔;護表用的金屬網由8號鐵絲編制而成,規格為6 000 mm×1 000 mm,網孔規格為40 mm×40 mm.

圖1 巷道支護設計圖(單位:mm)

頂板錨索為規格Φ21.8 mm×8 300 mm的鋼絞線,采用3支型號Z2360樹脂錨固劑錨固,每排布置4根,間排距為1 400 mm×800 mm,施加210 kN預緊力。

巷幫采用錨桿、金屬網支護,使用的錨桿規格、錨固方式及預緊力等參數與頂板錨桿一致,巷幫錨桿間排距為800 mm×800 mm,使用的金屬網由8號鐵絲編制而成,規格為6 000 mm×1 000 mm,網孔規格為40 mm×40 mm.

2.2 掘進技術

在6503運輸巷使用的快速掘進機組為EJM340/4-2H掘錨一體機,配套的其他設備包括錨桿轉載機(MZHB-1200/20)、邁步式機尾、帶式轉載機等構成,具體使用的EJM340/4-2H掘錨一體機技術參數見表1.錨桿轉載機可實現EJM340/4-2H掘錨一體機后方錨桿快速補打,提高圍巖支護效率;邁步式機尾可實現自動行進、自動調偏、連續運輸等功能,實現帶式輸送機快速移動;帶式轉載機可實現快速轉運,提升運輸效率。

表1 掘錨一體機技術參數

支護環節耗時在巷道掘進中占比較大,提高支護效率可在一定程度上增加掘進效率。6503運輸巷采用EJM340/4-2H掘錨一體機不僅可實現一次成巷,而且也實現了截割、圍巖支護及運輸等環節的平行作業,從而可顯著提升掘進效率。根據6503運輸巷圍巖支護設計參數以及現場地質條件,提出通過錨掘一體機、錨桿轉載機(MZHB-1200/20)前后獨立作業,實現圍巖支護平行作業。具體圍巖支護工序作業安排見圖2.

圖2 支護安排示意(單位:mm)

錨桿轉載機(MZHB-1200/20)緊跟錨掘一體機實現前后平行,達到提升圍巖支護效率的目的。

錨掘一體機的支護工作主要為:頂板1～3號、6～8號錨桿,由巷幫向中部位置施工,其中1號及8號錨桿均有15°外插角;頂板2～3號錨索。巷道兩幫靠近1～3號錨桿,其中最上部錨桿有15°外插角。

錨桿轉載機支護工作主要為:頂板中部的4～5號錨桿、頂板靠近兩幫的1號及4號錨索;巷幫下部的4～5號錨桿,其中5號錨桿有15°外插角。

3 現場應用效果分析

在6503運輸巷掘進期間布置測站監測圍巖變形量,以便考察圍巖控制效果,具體結果見圖3.從監測結果看出,在整個監測周期內(120 d)運輸巷頂板、巷幫變形量整體較小,最大分別為35 mm、28 mm,表明現場使用的圍巖支護方式、支護組織安排等可滿足巷道圍巖控制需要。

圖3 6503運輸巷圍巖變形監測結果

6503運輸巷采用快速掘進工藝后,圍巖支護時間時明顯縮短,月掘進進尺可達到480～560 m,6503運輸巷設計掘進長度為2 980 m,整條巷道掘進耗時7個月即可完成,大幅提升了巷道掘進效率,為采面早日投產贏得了時間。

4 結 語

實現6503運輸巷快速掘進可緩解礦井采掘接替緊張局面,結合現場情況從巷道圍巖支護設計、巷道掘進工藝以及圍巖支護安排等方面提出巷道快速掘進技術方案。綜合組合梁理論、懸吊理論,通過工程類比法確定巷道圍巖支護參數;通過EJM340/4-2H掘錨一體機、錨桿轉載機(MZHB-1200/20)、邁步式機尾、帶式轉載機等相互配合實現截割、圍巖支護、轉載運輸等高效進行,同時通過合理分配掘錨一體機、錨桿轉載機支護任務,不僅可實現圍巖變形有效控制而且可提高圍巖支護效率。

現場應用后,6503運輸巷掘進期間圍巖始終保持穩定,未出現大變形或者頂板冒落等征兆,監測頂板、巷幫最大變形量分別為35 mm、28 mm.采用先進掘進設備后,運輸巷掘進、支護及運行效率均明顯提升,6503運輸巷耗時7個月即可完成掘進,實現了安全快速掘進。