復合頂板巷道快速掘進技術研究

劉 偉

（山西焦煤汾西礦業中興煤業公司， 山西 交城 030500）

0 引言

復合頂板巷道掘進時，受到圍巖控制難度高、頂板力學性質差以及破碎等問題影響，巷道支護耗時較長，在一定程度上制約了巷道掘進效率[1-3]。同時由于煤礦巷道掘進技術在一定程度上制約開采技術，煤炭高強度開采后導致采掘失穩問題較為突出。實現復合頂板巷道快速掘進，對提升煤炭生產效率有顯著促進意義[4-5]。山西某礦7704 運輸巷頂板為典型的復合頂板，圍巖采用高密度錨桿索支護，支護時間占整個掘進時間的1/2 以上，導致巷道掘進效率偏低。以7704運輸巷掘進為工程背景，結合現場地質條件、掘進及支護工藝，對制約巷道掘進效率的因素進行歸納分析，并針對性提出快速掘進技術，實現復合頂板巷道快速掘進。

1 7704 運輸巷概況

山西某礦核定產能為450 萬t/a，批準開采煤層包括2 號、3 號、7 號、11 號及13 號等，井田開采范圍內地質構造不發育，煤層賦存穩定。7704 綜采工作面設計推進長度為2 650 m，受區域斷層構造影響，采面切眼有120 m、180 m、220 m 等規格，具體采面布置如圖1 所示。7704 運輸巷設計掘進長度2 660 m，沿著開采的7 號煤層底板掘進，煤層厚度3.2 m，賦存較為穩定，煤層頂板巖性以砂質泥巖、碳質泥巖及砂巖等為主，為承載能力及穩定性相對較差的復合頂板。

圖1 7704 綜采工作面位置示意圖

7704 運輸巷凈寬×凈高=4 800 mm×3 200 mm，設計采用錨網索支護圍巖，具體支護斷面如圖2 所示。頂板用規格Φ20 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿（布置間排距840 mm、900 mm）、規格Φ17.8 mm×7 200 mm錨索（布置間排距為2 520 mm、2 700 mm），并配合菱形金屬網護頂。巷幫用規格Φ20 mm×2 000 mm（間排距900 mm、900 mm）支護，在采面幫采用高分子網護表，在煤柱幫使用菱形金屬網護表。

圖2 運輸巷原支護斷面（單位：mm）

2 制約巷道快速掘進因素分析

2.1 地質條件

巷道所在區域內地質條件決定掘進、支護等難易程度，當巷道掘進遇到斷層、煤相變化或者夾矸等情況時會進一步影響巷道掘進。7704 運輸巷沿著7 號煤層底板掘進，煤層頂板為復合頂板，影響支護強度及支護耗時；7 號煤層內有1～3 層夾矸，夾矸層厚度合計為0.1～0.25 m，對掘進有一定影響。

2.2 掘進及支護工藝

7704 運輸巷采用EBZ-160 型掘進機破煤巖并配合單體錨桿鉆機支護，掘進與支護作業交替進行。EBZ-160 掘進機掘進單個排距后采用臨時支護設備護頂，錨桿鉆機開始鉆進錨桿（索）鉆孔并進行永久支護；支護完成后進行下一循環掘進及支護。巷道掘進涉及多個環節，各環節間相互高效配合是實現高效掘進的前提。7704 運輸巷巷道頂板采用4 根長度2 m錨桿、2 根長度7.2 m 錨索，巷幫布置8 根長度2 m 錨桿，根據錨桿、錨索布置間排距計算得到每米巷道需要鉆進32 m 錨桿（索）鉆孔，鉆孔深度越深則鉆進耗時越長，同時巷道整個斷面錨桿（索）鉆孔鉆進工程量偏高，導致支護耗時偏長，降低了掘進效率。

7704 運輸巷采用“三八制”，采用掘一錨一方式，在現有掘進及支護方式下巷道掘進進尺平均為260m/月，無法滿足采面煤炭高效回采需要。

3 巷道快速掘進技術

3.1 支護優化

為提高巷道掘進效率，依據7704 運輸巷現場地質條件，提出采用柔性錨桿對巷道頂板進行支護，具體支護參數為：巷道頂板采用4 根規格MSGR-1860/18 型柔性錨桿（Φ17.8 mm×4 080 mm），按照1 400 mm、1 200 mm間排距布置。柔性錨桿采用2 支型號CK2360 樹脂錨固劑錨固，確保錨固力在150 kN以上，托盤為規格300 mm×300 mm×10 mm 鋼托盤，配合采用W 鋼帶、金屬網強化頂板支護；頂板用柔性錨桿，外露長度控制在250 mm 以內，錨桿支護后施加250 N·m 以上扭矩。頂板用金屬網的網孔規格為50 mm×50 mm，長、寬分別為3 500 mm、1 300 mm。

巷道兩幫采用4 根規格均為Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿支護，按照900 mm、1 200 mm 間排距布置；巷幫錨桿錨固用1 支CK2360 樹脂錨固劑錨固，確保錨固力在50kN以上，使用的托盤為規格150mm×150 mm×10 mm 拱形鋼托盤；錨桿外露長度控制在50 mm 以內，錨桿布置完成后施加150 N·m 扭矩。采面幫、煤柱幫分別采用高分子網、菱形金屬網護表。具體巷道優化后巷道支護斷面如圖3 所示。通過對巷道支護參數進行優化，達到減少圍巖支護耗時目的。

圖3 優化后支護斷面（單位：mm）

3.2 快速掘進工藝

在7704 運輸巷掘進時采用“大- 小”循環施工工藝，在巷道迎頭安全情況下，使得迎頭人員組織最優、工程量最小。考慮運輸巷采用綜掘機配合錨桿鉆機掘進，具體多工序平行作業方式為：

小循環：每個小班完成多個小循環施工，小循環涉及割煤，運輸，鋪設支護金屬網、頂部柔性錨桿以及巷幫錨桿等，其中割煤、支護工作順序開展。

小循環實施工藝如下：

1）割煤。綜掘機完成第一次割煤，割煤寬度、深度分別為3.2 m、1.2 m；綜掘機向后移機，并將截割頭布置在迎頭煤壁位置；綜掘機進行第二次割煤，割煤寬度、深度分別為1.6 m、1.2 m。具體綜掘機割煤工藝如圖4 所示。

圖4 綜掘機割煤工藝（單位：mm）

2）頂板及巷幫支護。綜掘機完成第二次割煤后移1.2 m，截割頭落地，開始對頂板及巷幫進行支護。支護開始時先支護頂板柔性錨桿以及兩幫靠近頂板錨桿，其余巷幫錨桿滯后頂板柔性錨桿2 排布置，使得迎頭頂部錨桿與滯后的巷幫錨桿可平行工作。

3）重復上述割煤、移機以及圍巖支護過程，完成小循環掘進。大循環：清底、掃尾、延長輸送皮帶以及風水管路，依據礦壓顯現特征、圍巖巖性等完成局部巷道補強支護工作。

4 現場應用效果

在7704 運輸巷采用快速掘進工藝后，巷道掘進效率顯著提升，圍巖支護耗時有所降低，根據現場監測發現巷道掘進月進尺平均為389 m，綜合掘進速度提升53.5%，實現了復合頂板巷道快速掘進。

對圍巖支護參數優化后，布置測點監測圍巖變形，具體結果如圖5 所示。從圖5 中看出，采用優化后的圍巖支護參數，隨著與掘進迎頭距離增加（掘進時間增加），巷道頂板、兩幫收斂量均呈現集聚增加- 平穩趨勢，在距離掘進迎頭80 m 以后圍巖變形基本不再增加，其中兩幫、頂板最大變形量分別為24mm、19mm，表明采用的支護方案可實現圍巖有效控制。具體巷道現場支護情況如圖6 所示。

圖5 圍巖變形監測曲線

圖6 巷道現場

5 結語

根據7704 運輸巷現場地質條件、掘進及圍巖支護工藝等，對制約巷道快速掘進因素進行分析，發現圍巖支護耗時長、地質條件差、掘進各工序配合有待優化等是導致掘進效率較低的主要原因。提出將柔性錨桿應用到7704 運輸巷支護中，替代錨桿+錨索方式對復合頂板進行支護，以便達到提高支護效率、降低支護耗時目的；對掘進工藝優化，小循環、大循環部分工序平行作業，提升掘進效率。現場應用后，巷道掘進月進尺提升至389 m，同時巷道圍巖變形穩定，實現了復合頂板巷道快速掘進。