綜掘煤巷空頂參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

王長云

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司)

近年來我國煤礦井下巷道掘進(jìn)的裝備與技術(shù)發(fā)展迅猛[1-2]，使得掘進(jìn)速度大幅提升，保障了礦井生產(chǎn)接替。巷道掘進(jìn)是一個(gè)系統(tǒng)工程[3]，需要各環(huán)節(jié)密切配合，但現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工中頻發(fā)支護(hù)技術(shù)制約掘進(jìn)裝備效能的現(xiàn)象，限制了掘進(jìn)速度，造成采掘失衡，嚴(yán)重制約了礦井高產(chǎn)高效[4-5]。本文針對(duì)上述問題，在分析影響快速掘進(jìn)因素的基礎(chǔ)上對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了合理優(yōu)化，以發(fā)揮裝備效能、提高掘進(jìn)速度。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

霍爾辛赫煤礦西輔運(yùn)大巷用于礦井西翼采區(qū)的進(jìn)風(fēng)、輔助運(yùn)輸，巷道斷面為矩形，寬5.5 m，高5.6 m，沿3#煤頂板掘進(jìn)，埋深約495 m～525 m。3#煤平均厚約5.6 m，煤層有一定的傾伏變化，但幅度較小，其頂?shù)装鍘r層巖性見表1。該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無大型地質(zhì)構(gòu)造。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層巖性

1.2 巷道支護(hù)參數(shù)

西輔運(yùn)大巷頂板采用錨桿（索）+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)，錨桿選用φ22 mm×2 400 mm的500#的螺紋鋼錨桿，間排距850×1000mm；錨索采用φ22 mm×8 300 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2 000 mm×2000 mm，每排3根。兩幫采用錨桿（索）+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)支護(hù)，錨桿錨索材質(zhì)與頂板相同，間排距850 mm×1 000 mm；錨索規(guī)格為φ22 mm×5 300 mm，間排距為1 500 mm×2 000 mm，每排3根。

2 存在的問題

西輔運(yùn)大巷掘進(jìn)速度慢、達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，勢(shì)必影響礦井開拓規(guī)劃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析得出影響掘進(jìn)進(jìn)度的主要原因在于掘、支不平衡：一方面，現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于“一掘一支”的施工工藝要求；另一方面，每掘進(jìn)一排就需要支護(hù)一次，大量的時(shí)間浪費(fèi)在綜掘機(jī)退出、支護(hù)用具搬運(yùn)上，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)間僅占17～34%，而支護(hù)時(shí)間占50～67%，掘進(jìn)快而支護(hù)慢。

為了解決該問題，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的空頂距離配合現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度，在頂板條件允許的情況下將空頂距拉大，盡量使掘進(jìn)和支護(hù)均擁有互不干擾的作業(yè)空間，做到平行作業(yè)。

3 掘進(jìn)工作面合理空頂距優(yōu)化

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

以西輔運(yùn)大巷為研究對(duì)象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型進(jìn)行分析。模型尺寸為長×寬×高=25 m×30 m×23.5 m，頂部以13 MPa垂直應(yīng)力代以520 m埋深，模型各層按照表1所示巖層參數(shù)布置，建立的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

各巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 各巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

分別計(jì)算空頂距為0～5排時(shí)圍巖的位移及應(yīng)力分布特征、破壞范圍演化，其中得出的應(yīng)力演化結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同空頂距時(shí)迎頭前后頂板垂直應(yīng)力分布

巷道掘進(jìn)引起原巖體泄壓，在掘進(jìn)工作面前方一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力出現(xiàn)小幅降低，而工作面后部的頂板在開挖后下沉，其內(nèi)部垂直應(yīng)力顯現(xiàn)較小，若不施加支護(hù)則可能出現(xiàn)因頂板彎曲下沉過大而出現(xiàn)拉應(yīng)力顯現(xiàn)。如圖2所示，不同空頂距時(shí)掘進(jìn)迎頭前方均出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)：空頂距為0～3排時(shí)，迎頭前后垂直應(yīng)力分布基本一致，頂板未出現(xiàn)拉應(yīng)力；空頂距超過4排時(shí)，迎頭前方應(yīng)力降低區(qū)范圍擴(kuò)大至6 m，且空頂區(qū)域的頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力顯現(xiàn)，表明此時(shí)的巷道頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易出現(xiàn)冒落。不同空頂距時(shí)迎頭前后頂板的下沉量如圖3所示。

圖3 不同空頂距時(shí)迎頭前后頂板下沉量分布

從圖3可以看出，迎頭前后頂板下沉量的變化同樣是在空頂距增大至4排后出現(xiàn)突變：空頂距為0～3排時(shí)，迎頭前后下沉量分布基本一致，數(shù)值變化極??；而空頂距超過4排時(shí)，空頂區(qū)域出現(xiàn)突變下沉，此時(shí)的空頂區(qū)頂板已處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著空頂距的增加，不穩(wěn)定性也逐漸增加，具體的巷道破壞情況如圖4所示。

圖4 不同空頂距時(shí)迎頭前后巖體塑性區(qū)發(fā)育演化

從圖4中可以看出巷道迎頭附近巖體塑性破壞范圍隨著空頂距的增加而逐漸擴(kuò)大，但不同階段的變化趨勢(shì)不同：空頂距為0～2排時(shí)，巷道迎頭附近塑性區(qū)范圍基本不變，說明現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度超過支撐2排空頂距的要求；空頂3排時(shí)，頂板塑性區(qū)開始出現(xiàn)增加，但增加范圍極小，頂板仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；而空頂距增加至4排時(shí)，塑性區(qū)范圍突然大幅增加，說明此時(shí)的空頂距突破了現(xiàn)有支護(hù)強(qiáng)度維持穩(wěn)定的極限，開始出現(xiàn)較大范圍破壞。從上述分析可以看出，掘進(jìn)工作面的空頂距離最大可增至3排而不出現(xiàn)頂板破壞，保障施工安全，超過3排則易出現(xiàn)頂板下沉量大、冒落等安全事故。因此，優(yōu)化后的掘進(jìn)工作面合理空頂距為3排。

4 其他優(yōu)化措施

4.1 合理平行作業(yè)

幫錨桿滯后頂錨桿4～6排，兩幫先施工3根錨桿，底角錨桿跟在綜掘機(jī)后施工。由于約2∕3的錨桿（頂板和兩幫）在綜掘機(jī)后施工，每班綜掘機(jī)前節(jié)約永久支護(hù)時(shí)間近3小時(shí)，提高生產(chǎn)效率約為37.5%。

4.2 臨時(shí)支護(hù)工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)戴帽點(diǎn)柱和架棚臨時(shí)支護(hù)施工環(huán)節(jié)多、支護(hù)速度慢，導(dǎo)致空頂時(shí)間長易使頂板下沉。為滿足綜掘機(jī)快速施工需要，工作面采用ZJCZ×800∕19∕48巷道臨時(shí)支護(hù)液壓支架進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

5 實(shí)施效果分析

5.1 巷道圍巖表面位移

在西輔運(yùn)大巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)段長度為100 m，布置觀測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道表面位移觀測(cè)以判斷加大空頂距后圍巖的控制效果，如圖5所示。

圖5 表面位移變化

巷道表面變形較小，掘進(jìn)影響階段頂板下沉量控制在10 mm，兩幫移近量控制在17 mm，加大空頂距之后巷道圍巖變形量均在控制要求范圍內(nèi)，巷道圍巖保持穩(wěn)定。

5.2 掘進(jìn)速度提升效果

對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，每班純掘進(jìn)時(shí)間大幅增加，占55%～72%，每循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺增加使得工序之間轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)備時(shí)間大幅降低，提高了掘進(jìn)速度，每月進(jìn)尺由之前的270 m提升至380 m，而且由于合理優(yōu)化作業(yè)工序，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，工作強(qiáng)度降低及工作效率提高也降低了掘進(jìn)工程的綜合成本。

6 結(jié)論

（1）在分析影響掘進(jìn)速度因素的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬優(yōu)化了工作面空頂距，提出采用“三掘一支”放大空頂距，同時(shí)優(yōu)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)。

（2）在西輔運(yùn)大巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，礦壓監(jiān)測(cè)表明巷道圍巖變形在控制要求范圍內(nèi)，巷道掘進(jìn)速度由270m∕月提高至380m∕月，掘進(jìn)速度大幅提升。