大斷面煤巷快速掘進工藝及參數(shù)優(yōu)化研究

張喜文 段其濤 徐祝賀

（1.神華神東煤炭集團石圪臺煤礦，陜西省榆林市，719000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

1 引言

神東煤炭集團作為我國最大的煤炭生產(chǎn)基地，截至2012 年11 月13 日，累計生產(chǎn)原煤202.24 Mt／a；截至12月31日，累計生產(chǎn)商品煤213.77 Mt／a。隨著產(chǎn)能的不斷擴大，對采掘巷道的快速掘進提出了更高要求，以原有掘進機為代表的掘進模式已不能滿足神東礦區(qū)快速掘進的現(xiàn)狀，正在被連續(xù)采煤機+梭車+錨桿機為代表的高效掘進配套設(shè)備和技術(shù)所替代。在支護設(shè)計上，廣泛采用高強度預(yù)應(yīng)力錨桿+錨索聯(lián)合支護技術(shù)。進一步探索研究了大斷面煤巷合理支護參數(shù)設(shè)計和掘進工藝的優(yōu)化，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進，為神東礦區(qū)建設(shè)世界一流煤炭企業(yè)起到重要的技術(shù)保障作用。

2 工作面概況

2.1 31203主輔運輸平巷概況

石圪臺煤礦作為神東煤炭集團的主力生產(chǎn)礦井之一，2012 年產(chǎn)量達12.12 Mt，掘進進尺56721.3m，主采煤層為12煤、22煤和31煤。

31203工作面是31 煤水平二盤區(qū)掘進的第三個工作面，采用連續(xù)采煤機沿煤層底板進行雙巷同時掘進。其北側(cè)為31 煤回風大巷，西側(cè)為31202工作面，其余方向均為實體煤，四周無采動影響，巷道布置如圖1所示。地面標高1184.1～1234m，煤層底板標高為1087～1096m，埋深96～138m，屬于淺埋煤層開采，所掘巷道均為矩形，具體巷道斷面情況見表1。

表1 31203工作面雙巷掘進主要巷道斷面

2.2 地質(zhì)基本概況

31203工作面煤厚3.7～4.4 m，煤層總體趨勢為東高西低，傾角1°～3°。直接頂為灰白色細粒砂巖、中粒砂巖、灰色粉砂巖，具水平層理，厚度1.8～12.5m，平均厚度3.5m；基本頂為灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，灰色厚層狀，不顯層理。中間夾有1.12m 灰白色細砂巖，厚度8.15～25.6m，平均厚度15.2m；直接底巖性為灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細粒砂巖，灰色夾泥巖薄層及煤線，含植物葉片碎屑化石，厚度3.6～14.1 m，平均厚度8.7m。

圖1 31203工作面雙巷掘進巷道布置示意圖

從運輸平巷開口819 m 至開切眼范圍內(nèi)，工作面上部為原天隆22 煤采空區(qū)和22402 采空區(qū)。采空區(qū)內(nèi)積水量約1.5×106m3，預(yù)計單頭正常涌水量為50m3／h，最大涌水量為120m3／h。掘進時應(yīng)先探后掘，保證水平方向安全距離30 m，垂直方向安全距離15 m，并加大工作面排水能力，做好防排水工作。

在工作面整個掘進過程中，絕對瓦斯涌出量為0.32m3／min，甲烷含量0.42～0.56m3／t，CO2含量0.028～1.23 m3／t，屬低瓦斯采區(qū)，對掘進和回采無大的影響。

3 支護參數(shù)設(shè)計

支護參數(shù)的設(shè)計參考了文獻 ［5-9］，具體如下：

3.1 錨桿參數(shù)設(shè)計

（1）頂錨桿長度

按廣義懸吊理論，頂錨桿長度為

式中：L——錨桿長度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系數(shù)，一般取2；

L1——錨桿錨入穩(wěn)定巖層深度，一般按經(jīng)驗取0.3m；

L2——錨桿在巷道中的外露長度，不超過0.05m。

其中：

B 為巷道開掘?qū)挾?，該工作面巷道最大寬度為機頭硐室段，取5.6m；kx為頂板巖性系數(shù)，Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層，取1.1；fr為頂板巖層普氏系數(shù)，粉砂巖取4.2。

將上述各參數(shù)代入式 （2）中進行計算，可得H=0.606m。則頂錨桿長度為L≥1.5×0.606+0.3+0.05=1.562m。

（2）錨桿直徑

由：

得錨桿直徑的計算公式為

式中：P——錨桿桿體的承載力，螺紋鋼錨桿 （16 Mn）錨固力取86kN／根；

?t——桿體抗拉強度，螺紋鋼錨桿 （16 Mn）抗拉強度取520 MPa。

則：

考慮直接頂巖性及上覆采空區(qū)因素，選用?18 mm×2100mm 的左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，滿足支護要求。

（3）錨桿間排距D

錨桿間排距的幾何平均數(shù)為

式中：k錨——錨固方式系數(shù)，加長錨取1.2；

k護——護頂方式系數(shù)，鋼筋網(wǎng)片取1.05；

I——巖體完整性系數(shù)，查詢GB50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》和GB50218—1994 《工程巖體分級標準》，取0.75；

fr——圍巖普氏系數(shù)，頂板粉砂巖取4.2。

將以上數(shù)據(jù)代入式 （4）中，得D =1.06 m；取安全系數(shù)K 為1.13，可得頂錨桿間距為1.2m，每排布置5根錨桿。

通過懸吊理論公式進行驗算：

式中：a——錨桿間排距，m；

P——錨桿設(shè)計錨固力，取86kN／根；

H——冒落拱高度，取0.606m；

r——被懸吊粉砂巖的重力密度，取23kN／m3；

因此，選擇錨桿間排距為1.2 m×1.0m，符合巷道支護要求。

3.2 錨索參數(shù)設(shè)計

錨索參數(shù)設(shè)計具體如下：

（1）錨索錨固長度La

錨索采用具有一定彎曲柔性的鋼絞線，通過預(yù)先鉆出的鉆孔，以一定的方式錨固在圍巖深部，外露端由工作錨通過壓緊托盤對圍巖進行加固補強。錨索應(yīng)布置在堅硬頂板的基本頂內(nèi)，因此，錨固長度La應(yīng)滿足：

式中：La——錨索的錨固長度，mm；

d1——錨索體直徑，取17.8mm；

fst——錨索體設(shè)計 抗拉強度，取1860 N／mm2；

fcs——錨索與錨固劑的設(shè)計黏結(jié)強度，取1.0N／mm2；

k——安全系數(shù)，取1.5。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式 （6）中，可得La=1241.5 mm。

根據(jù)工程實踐及錨固劑生產(chǎn)規(guī)格，取錨固長度為1500mm，使用3根CK2350型樹脂錨固劑。鉆孔直徑為28mm，則實際錨固長度為

（2）錨索長度L

按懸吊理論計算錨索長度參數(shù)，首先確定潛在破壞范圍，h=1.5 B。其中，B 為巷道寬度，h=1.5×5.4=8.1m。按不完全垮落考慮，其潛在的垮落范圍為h′，錨索最小長度按不完全垮落計算，則式中：La——錨索錨固長度，取1.5m；

h′——3.5m 厚的中粗粒砂巖直接頂；

L1——錨索外露長度，根據(jù)經(jīng)驗取0.15m。

將以上參數(shù)取值代入式 （7）中，得L索min為5.15m，則設(shè)計錨索長度為6.5 m （安全系數(shù)為1.26），滿足支護要求。

（3）錨索排距a

根據(jù)錨索加固機理，其間距的驗算公式為

式中：L——錨索間距，m；

B——巷道最大垮落寬度，5.6m；

H——巷道垮落高度，最嚴重垮落高度為錨桿長度，取2.1m；

r——巖體重度，2.35kN／m3；

L1——錨桿排距，1.0m；

F1——錨桿錨固力，50kN；

F2——錨索極限承載力，取337kN；

θ——錨桿與巷道頂板的夾角，90°；

n——錨索排數(shù)，取2。

將上述數(shù)據(jù)代入式 （8）中，得L ≤2×33.7／［5.6×2.1×2.35-2×5×sin90°／1］≈3.82 m。設(shè)計中取錨索間距為2 m，錨索排距3.0 m，滿足要求。

4 支護方案的確定

在理論計算及數(shù)值模擬 （略）的基礎(chǔ)上，針對31203工作面主輔運輸平巷的具體情況，設(shè)計出具體的支護方案，如圖2所示。

頂錨桿采用?18mm×2100mm 的左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，樹脂錨固。每根錨桿使用兩支CK2340樹脂錨固劑，錨固長度為800 mm；頂錨桿的預(yù)緊力矩不低于120N·m，其中靠煤幫的頂錨桿與巷道兩幫的距離均為300mm。

頂錨索采用?17.8mm，1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨索眼深6.2 m，錨索長度6.5 m，鉆孔直徑28mm；采用3支CK2350樹脂錨固劑進行加長錨固，錨固長度為1500 mm；采用與?17.8mm 鋼絞線相配套的鎖具鎖緊，預(yù)緊力不得低于140kN。

5 雙巷快速掘進工藝及優(yōu)化

5.1 工作面主要設(shè)備及參數(shù)

31203工作面雙巷快速掘進采用與12CMI5-10D 型連續(xù)采煤機相配套的設(shè)備，其具體的參數(shù)見表2。

5.2 掘進工藝及施工方法

5.2.1 掘進工藝

如圖3所示為31203主輔運平巷雙巷快速掘進工藝。其具體掘進工藝如下：作業(yè)前安全檢查 （敲幫問頂、檢測瓦斯等氣體濃度），連續(xù)采煤機1進入已支護好的31203 輔運平巷進行切槽與采垛作業(yè)，完成掘進和落煤工藝，梭車3往返于連續(xù)采煤機1和破碎機6之間，完成運煤工序；破碎機6將大塊煤破碎，經(jīng)帶式輸送機5運出連續(xù)采煤機掘進15m 達到一個循環(huán)進度后，調(diào)機到31203主運平巷繼續(xù)下一循環(huán)作業(yè)，四臂錨桿機2進入31203輔運平巷進行支護，支護完畢后接風筒。掘進過程中當巷道頂板比較破碎，出現(xiàn)鱗皮、活矸，裂隙、節(jié)理局部較發(fā)育或有沖刷構(gòu)造時，循環(huán)進度調(diào)整為6～8m。鏟車4進入剛掘進完成的31203輔運平巷內(nèi)清理浮煤和其他雜物，以確保巷道的暢通。

圖2 31203主輔運平巷支護設(shè)計圖

表2 31203工作面雙巷快速掘進主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

5.2.2 錨桿和錨索支護施工

40-RE-LMB-CWT 型錨桿機在連續(xù)采煤機掘進后形成的空頂區(qū)內(nèi)進行支護，從外向里逐排進行，具體支護工藝如圖4所示。錨索支護一般滯后錨桿支護一個循環(huán)。頂煤厚度大于500mm 時，錨索滯后工作面距離不大于30 m，當頂煤厚度小于500mm 或頂板破碎易冒落時，應(yīng)緊跟工作面并采取及時支護，錨索滯后工作面距離不大于14m，錨索具體支護工藝如圖5所示。

5.2.3 掘進工藝優(yōu)化

神東礦區(qū)特有的雙巷快速掘進模式要求不斷對掘進工藝進行優(yōu)化，以提高設(shè)備效率和單進水平。在實踐中掘進工藝優(yōu)化方法具體包括：

（1）優(yōu)化主輔回撤通道至大巷掘進工藝。即在31203主輔運平巷掘進至聯(lián)絡(luò)巷時，暫停向前掘進，而是返回掘進31204工作面的主副回撤通道。此工藝的優(yōu)化，解決了下一工作面平巷開口段工序復(fù)雜、相互制約的問題；使下一個工作面可直接形成獨立通風，避免開切口初期存在串聯(lián)通風且少拆除2道聯(lián)絡(luò)巷密閉；可節(jié)省6d時間，按40 m／d計算，可以多進尺240m。

圖3 31203主輔運平巷雙巷快速掘進工藝

圖4 40-RE-LMB-CWT 型錨桿機支護工藝

圖5 錨索支護工藝

（2）采用斜聯(lián)絡(luò)巷掘進工藝，如圖3中的9所示。在以前的連采平巷掘進中，一般情況下每隔10個聯(lián)絡(luò)巷要留出一個直聯(lián)絡(luò)巷，并在聯(lián)絡(luò)巷口做4個半徑為3m×3m 的抹角，以便于澆筑混凝土底板和運送材料時進行調(diào)車。但直聯(lián)絡(luò)巷距離短 （一般為15m），再減去4個抹角長度，使聯(lián)絡(luò)巷間風門的距離小于8m，致使材料車或工程車掉頭時需同時打開兩道風門，存在極大的安全隱患。在長期實踐中，對直聯(lián)絡(luò)巷掘進工藝進行優(yōu)化，創(chuàng)造出斜聯(lián)絡(luò)巷掘進工藝。該工藝的最大優(yōu)點是增大了調(diào)車聯(lián)絡(luò)巷間的長度 （斜聯(lián)絡(luò)巷距離增大到18m），使材料車可進入風門內(nèi)，避免兩道風門同時打開造成風流短路，保障了生產(chǎn)安全。同時，還減少了兩個抹角支護，加快了單進水平。

（3）提高連采機-梭車系統(tǒng)司機的業(yè)務(wù)技能，并加強設(shè)備管理，提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)效能。充分發(fā)揮神東教培中心和石圪臺礦實操培訓(xùn)基地的平臺作用，定期開展崗位練兵和技能比武大賽，促進員工實操和理論水平的提升。制定掘進工作面設(shè)備包機制，實行 “三專管理”，即專人保養(yǎng)、專人維修、專人操作。利用交接班時間對作業(yè)使用的機電設(shè)備、機具進行全面檢修，確保設(shè)備在良好狀態(tài)下運行，消除機電事故對巷道施工的影響。與礦調(diào)度指揮中心加強聯(lián)系，使設(shè)備綜合效率 （開機率）達93%～96%。

（4）創(chuàng)造多工序平行作業(yè)，縮短輔助工序時間。如錨桿機支護、連采機采煤、接風筒平行作業(yè)，連網(wǎng)與打錨桿平行作業(yè)，連采機割煤和備料平行作業(yè)，錨桿索支護、延伸皮帶、移破碎機平行作業(yè)等。

6 結(jié)論

31203主輔運輸平巷快速掘進采用上述方法進行施工，最大控頂距達16.2m。該工作面自2012年9月開始掘進，創(chuàng)出日進80.3m、班進44.8m 的新紀錄；人工效率達1.67m／ （工·d），雙巷月進尺完成1800m （開機率達95%），比支護優(yōu)化前超額18.6%完成任務(wù)，形成工作面比原計劃提前16d，提高了單進水平，保證了工作面的正常接替。

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