特厚煤層大斷面煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)探討

趙 陽(yáng)

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

1 工程背景

馬道頭煤業(yè)為生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a的特大型礦井，2404工作面是其北四盤區(qū)首采工作面，開(kāi)采煤層為3～5號(hào)合并煤層，煤層最厚達(dá)26.3 m，平均厚度15.0 m，平均傾角為7°，為單一傾斜構(gòu)造煤層，煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1所示。2404工作面內(nèi)存在DF16、DF61、DF59等6條斷層，斷層落差為3.0～5.0 m，工作面不存在采空區(qū)積水隱患，處于帶壓開(kāi)采相對(duì)安全區(qū)域，正常涌水量為5.0 m3/d。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2404工作面膠帶巷沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面寬×高=5.5 m×3.6 m，掘進(jìn)斷面積19.8 m2，巷道埋深300 m，總長(zhǎng)度4 175 m。根據(jù)對(duì)巷道頂板煤層的鉆孔探測(cè)，頂煤厚度平均11.0 m，縱向裂隙較發(fā)育，橫向裂隙較少，巷道整體處于中低地應(yīng)力范圍內(nèi)。

2 原煤巷掘進(jìn)存在的主要問(wèn)題

礦井生產(chǎn)能力大，對(duì)工作面產(chǎn)量效率要求高，2404工作面膠帶巷沿煤層底板掘進(jìn)，頂煤厚度大，掘進(jìn)過(guò)程中巷道穩(wěn)定性控制要求高，采掘接續(xù)較為緊張[1-2]。針對(duì)2404膠帶巷已掘段存在的問(wèn)題，通過(guò)分析，認(rèn)為主要是支護(hù)參數(shù)不合理和施工工藝效率低兩方面因素。

2.1 支護(hù)參數(shù)不合理

2404工作面支護(hù)方式：頂部、幫部均采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800 mm×900 mm，幫錨桿間排距1 000 mm×900 mm，錨固段1 500 mm，預(yù)緊力矩≥200 N·m，錨固力≥90 kN。錨索為D17.8 mm×8 300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距1 800 mm×1 800 mm，“二二”布置，角錨索為D17.8 mm×4 500 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距5 400 mm×1 800 mm，“二二”布置，錨固段2 100 mm，錨固力≥150 kN。

從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，原支護(hù)方式的錨桿預(yù)緊力矩較小，在地應(yīng)力較小、煤體強(qiáng)度較大情況下不能有效減弱巷道偏應(yīng)力的作用；其次，支護(hù)占比循環(huán)時(shí)間較多，造成采掘連續(xù)性不強(qiáng)，可以適當(dāng)減小支護(hù)密度；再者，煤體頂板裂隙發(fā)育量不大，可以適當(dāng)減小錨桿索長(zhǎng)度，以達(dá)到加快支護(hù)進(jìn)程的目的。

2.2 施工工藝效率低

2404工作面膠帶巷已掘段使用的是普通縱軸式掘進(jìn)機(jī)與單體鉆機(jī)配合的施工工藝。掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m、循環(huán)時(shí)間30 min，截割掉的煤由裝載扒機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至轉(zhuǎn)載機(jī)，進(jìn)而放置在膠帶輸送機(jī)上，但支護(hù)要求巷道底部需留有部分煤矸石，因此支護(hù)后機(jī)組需復(fù)返裝載或人工排矸，耗時(shí)耗力、效率較低[3]，整體單循環(huán)掘進(jìn)時(shí)間達(dá)110 min。巷道采用單體鉆機(jī)支護(hù)時(shí)，人工操作風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行打眼、裝藥、錨固等流程，手動(dòng)作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高[4]。按照現(xiàn)代化礦井“一井一面”的產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)，2404工作面年掘進(jìn)進(jìn)尺需要在3 000 m以上，而原掘進(jìn)施工月進(jìn)尺為240 m，不能夠滿足高產(chǎn)高效工作面要求。

3 掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)技術(shù)

針對(duì)2404工作面存在的主要問(wèn)題，為提高掘進(jìn)效率，引進(jìn)采用MB670掘錨一體機(jī)進(jìn)行膠帶巷的進(jìn)尺及支護(hù)優(yōu)化，以提高進(jìn)尺速度，控制巷道穩(wěn)定，增加經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

采用掘錨一體機(jī)后的優(yōu)化支護(hù)斷面如圖1所示。

1) 頂板支護(hù)：錨桿索全部由掘錨機(jī)組打設(shè)，錨桿規(guī)格為D20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm(中間兩根間距1 100 mm)，用1支MSCK2360樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨固段830 mm，錨固力≥150 kN，預(yù)緊力≥300 N·m，全部垂直頂板打設(shè)。托盤規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，W鋼帶規(guī)格280 mm×450 mm×4 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 200 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100mm，要求雙邊孔孔相聯(lián)。補(bǔ)強(qiáng)錨索規(guī)格為D17.8 mm×6 300 mm，錨索間排距2 000 mm×2 000 mm，距巷幫1 750 mm，樹(shù)脂錨固劑為1支MSCK2360和2支MSZ2360，錨固段1 653 mm，托板規(guī)格300 mm×300 mm×12 mm，預(yù)緊力≥150 kN。

2) 巷幫支護(hù)：上部2根幫錨桿采用掘錨機(jī)組打設(shè)，下部?jī)筛鶐湾^桿采用人工打設(shè)。錨桿規(guī)格同頂部錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，最上最下兩根錨桿均與水平方向成20°布置。

3.2 施工工藝優(yōu)化

采用掘錨一體機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)后，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和人機(jī)匹配原則，提出頂板和幫部錨桿空間不成排支護(hù)的截割支護(hù)方案[5]。具體而言，就是在掘進(jìn)過(guò)程中不追求頂錨桿和幫錨桿的對(duì)齊性，機(jī)組不后退，達(dá)到快速掘進(jìn)的目的。

首先，頂錨桿和幫錨桿不對(duì)齊支護(hù)形式下，頂錨桿領(lǐng)先幫錨桿300 mm，此時(shí)產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)經(jīng)研究與對(duì)齊支護(hù)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)基本一致，此時(shí)幫部也可以及時(shí)支護(hù)，有利于人機(jī)關(guān)系的協(xié)調(diào)性。再者，調(diào)整割煤工藝(如圖2所示)，采用在巷道煤壁中部進(jìn)刀，上下分兩次截割成形，此時(shí)空頂距由1.8 m減少為0.8 m，空頂面積大幅減小，避免出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象。

3.3 施工技術(shù)要求

為保證掘錨一體機(jī)施工質(zhì)量，施工過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 巷道掘錨一體機(jī)掘進(jìn)尺寸超挖控制在200 mm以內(nèi)，一次成型，錨桿索間排距誤差不得超過(guò)設(shè)計(jì)值±50 mm；

2) 根據(jù)掘錨機(jī)組錨桿支護(hù)系統(tǒng)實(shí)際情況，頂錨桿空頂距設(shè)為2.5 m，上部2根幫錨桿空幫距不大于3.0 m，下部2根幫錨桿滯后掘進(jìn)迎頭不大于20 m。遇到頂板破碎、頂板淋水等條件時(shí)要及時(shí)補(bǔ)打錨索。

3) 掘進(jìn)過(guò)程中，每隔100 m在頂板安裝一個(gè)離層指示儀，觀測(cè)圍巖變形情況。

4 掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)應(yīng)用效果

1) 巷道變形情況。采用掘錨一體機(jī)進(jìn)行快速掘進(jìn)施工后，在新掘段布置圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位移監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。從監(jiān)測(cè)曲線可知，監(jiān)測(cè)周期前30 d，頂板下沉量、兩幫收縮量均成較大速率增長(zhǎng)，最大變形速率在15 mm/d，掘進(jìn)40 d后，頂板下沉量穩(wěn)定在45 mm，兩幫收縮量穩(wěn)定在49 mm，底鼓量穩(wěn)定在11 mm，一直持續(xù)到監(jiān)測(cè)周期120 d結(jié)束，說(shuō)明巷道整體控制效果較好。

2) 效益分析。實(shí)施掘錨一體機(jī)進(jìn)行煤巷掘進(jìn)后，單循環(huán)掘進(jìn)時(shí)間由原來(lái)的110 min減少為45 min，降幅達(dá)59%，日施工循環(huán)從10個(gè)增加到16個(gè)，增幅60%，平均月進(jìn)尺從240 m提高到400 m，增幅66.7%；日循環(huán)進(jìn)度由8.0 m增加至13.0 m，增幅62.5%，人均效率從0.08 m提高到0.125 m，增幅56.3%。支護(hù)材料成本降低525.4元/m，降幅達(dá)15.9%，人工費(fèi)用減少了369萬(wàn)元。掘錨一體機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大斷面煤巷快速掘進(jìn)，保證了采掘工序的連續(xù)性，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益達(dá)到共贏。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)馬道頭煤業(yè)產(chǎn)量大、掘進(jìn)效率低、支護(hù)成本高，采掘接續(xù)緊張的問(wèn)題，通過(guò)引進(jìn)掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)技術(shù)，并對(duì)支護(hù)方案和施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)在2404膠帶巷進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。