軟巖巷道的快速掘進(jìn)技術(shù)及工業(yè)性試驗(yàn)研究

張興權(quán)

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 045400）

引言

在井下挖掘巷道，通過(guò)巷道在井下進(jìn)行開(kāi)采是目前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的煤炭開(kāi)采方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2019 年底，我國(guó)大約有90%的煤礦采用井工開(kāi)采[1]，每年新增巷道數(shù)萬(wàn)公里。這些巷道的穩(wěn)定情況和掘進(jìn)速率會(huì)直接影響到煤炭的開(kāi)采效率。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，井下的地質(zhì)條件也變得越來(lái)越復(fù)雜，包括深部高地應(yīng)力、軟巖結(jié)構(gòu)和特大斷面巷道的比例越來(lái)越大，這些都對(duì)井工開(kāi)采帶來(lái)了困難。此外，由于我國(guó)的煤炭開(kāi)采采掘比較低（1∶3.1），采掘比例失調(diào)，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。在保證安全生產(chǎn)的前提下，提高巷道的掘進(jìn)速度，發(fā)展快速掘進(jìn)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。

1 軟巖巷道變形破壞分析

1.1 實(shí)驗(yàn)巷道概述

本文選取貴州化隆礦業(yè)的化樂(lè)煤礦為研究對(duì)象，根據(jù)該煤礦的地質(zhì)條件和生產(chǎn)狀況，以1201 工作面為例首先進(jìn)行巷道變形破壞分析。1201 工作面巷道埋深為100～200m，整個(gè)開(kāi)采工作面的長(zhǎng)度為1400m，寬度為180 m。巷道的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，現(xiàn)有的開(kāi)采巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 480 m，巷道的斷面設(shè)計(jì)為半圓拱形，高度設(shè)計(jì)為3 850 mm，寬度設(shè)計(jì)為4 500 mm，直墻段的設(shè)計(jì)高度為1 800 mm，巷壁的噴漿層厚度為100 mm。

1.2 圍巖力學(xué)測(cè)試及巖樣分析

選取巷道內(nèi)兩邊，巷道頂部和巷道底部的巖石一共45 塊，分組進(jìn)行巖石抗拉、抗壓和抗剪實(shí)驗(yàn)。每組樣品分為5 份，其中一份進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，一份進(jìn)行抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，剩下三份以剪切角30°、45°和60°進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，得到如表1 所示參數(shù)。

圖1 1201 巷道工作面結(jié)構(gòu)圖

表1 軟巖巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

分別在巷道左幫、右?guī)秃晚敯逄庍x取圍巖進(jìn)行X 射線衍射實(shí)驗(yàn)來(lái)分析圍巖成分，取樣位置如表2所示，對(duì)取樣進(jìn)行X 射線衍射研究。

表2 X 射線衍射實(shí)驗(yàn)樣品取樣位置

在衍射研究后，發(fā)現(xiàn)在選取的樣品中還有較多的高嶺土、伊利石和蒙脫石混層。這些巖石都具有極強(qiáng)的親水性，遇水會(huì)發(fā)生膨脹、軟化、碎裂等現(xiàn)象。而化樂(lè)煤礦工作面的巷道普遍存在漏水、泄水等情況，所以可以將1201 運(yùn)輸巷道定義為軟巖巷道。

1.3 實(shí)驗(yàn)巷道變形破壞分析

由于實(shí)驗(yàn)井下為軟巖巷道，在其圍巖發(fā)生吸水現(xiàn)象時(shí)，會(huì)發(fā)生膨脹和承載力減小的情況。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)巷道圍巖的砂巖部分吸水后，其強(qiáng)度會(huì)減少32%～35%，泥巖部分強(qiáng)度會(huì)減少45%以上[2]。此外，含有膨脹性物質(zhì)的巖體遇水會(huì)膨脹60%以上。如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，還會(huì)因?yàn)榍治g作用發(fā)生松散，失去承載力而轉(zhuǎn)為對(duì)巷道壁的荷載力。

在掘進(jìn)過(guò)程中，在巷道周邊和用來(lái)支護(hù)的支架間會(huì)產(chǎn)生一定的間隙。這些間隙會(huì)使圍巖和支護(hù)架之間的接觸成不規(guī)則分布，從而發(fā)生集中荷載和偏心荷載的現(xiàn)象，支護(hù)架可能會(huì)發(fā)生損壞或者坍塌現(xiàn)象。

2 快速掘進(jìn)技術(shù)研究

目前在1201 礦巷采取的掘進(jìn)技術(shù)為全斷面一次成巷的方式，由掘進(jìn)機(jī)、傳送皮帶和運(yùn)輸機(jī)組成。每次可以掘進(jìn)0.5～0.6 m，運(yùn)輸能力為600 t/h[3]。由于其特殊的軟巖地質(zhì)條件，現(xiàn)有的采掘系統(tǒng)存在以下一些問(wèn)題：

1）由于掘進(jìn)機(jī)自重都比較大，而軟巖巷道的底部和頂板都較軟。在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)會(huì)使底部和頂部的水分和泥巖混合，巷道的泥漿化會(huì)特別嚴(yán)重。

2）軟巖巷在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿還會(huì)對(duì)運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生影響。泥漿會(huì)隨著皮帶傳往發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致馬達(dá)無(wú)力，影響傳送速率。

3）對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的行走部，由于軟巖巷道的底部軟弱，而掘進(jìn)機(jī)的接地僅靠?jī)蓚?cè)的履帶，經(jīng)常會(huì)發(fā)生履帶陷入泥漿的狀況，影響掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，為提高掘進(jìn)速度，文中設(shè)計(jì)了一種以懸壁式掘進(jìn)機(jī)為主體的快速掘進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由懸臂式掘進(jìn)機(jī)和長(zhǎng)距離皮帶運(yùn)輸機(jī)組成，該系統(tǒng)通過(guò)以下措施來(lái)提高掘進(jìn)效率。

1）優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割順序：在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，先對(duì)工作面的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，根據(jù)其實(shí)際情況選擇截割方式。針對(duì)軟巖工作面，截割先從左下角開(kāi)始，然后按“S”形向上切割的方法進(jìn)行截割。

2）定時(shí)收集物料：在截割時(shí)，盡量多堆積一些方形物料，這樣不僅運(yùn)輸方便，還可以減少泥漿在截割機(jī)的堆積。

3）定時(shí)排除積水：在巷道側(cè)面可以修建排水溝和蓄水池。在蓄水池中安裝泥漿泵進(jìn)行抽除工作，保證掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境。

4）優(yōu)化掘進(jìn)工作工序：實(shí)行多工序交叉作業(yè)，采用自動(dòng)化挖柱取代人工挖柱窩[4]，縮短工序時(shí)間。

3 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 掘進(jìn)速率統(tǒng)計(jì)

在實(shí)施新的施工方案后，1201 巷的掘進(jìn)作業(yè)采用了三班掘進(jìn)的施工工序。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)施后，對(duì)作業(yè)的進(jìn)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。得到如圖2 所示的快速掘進(jìn)速度曲線圖，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為掘進(jìn)工作的工作進(jìn)度。

圖2 1201 巷掘進(jìn)進(jìn)度圖

從圖2 可以看出，在30 d 的觀測(cè)期內(nèi)，一共掘進(jìn)101.8 m，平均每日完成作業(yè)3.4 m。正常工作時(shí)間占總時(shí)間的93.3%，在第14 天和第22 天非正常掘進(jìn)是因?yàn)闄C(jī)械故障。

3.2 礦壓觀測(cè)結(jié)果

在1201 巷道內(nèi)建立監(jiān)測(cè)站進(jìn)行圍巖位移觀測(cè)，在距離掘進(jìn)入口100 m 處設(shè)置第一個(gè)觀測(cè)站，距離第一觀測(cè)站20 m 處設(shè)置第二個(gè)觀測(cè)站。觀測(cè)頻度為掘進(jìn)作業(yè)面50 m 內(nèi)或者是軟巖巷道發(fā)生嚴(yán)重變形，觀測(cè)頻率為每日一次。在進(jìn)行30 d 觀測(cè)后，達(dá)到如圖3、圖4 觀測(cè)結(jié)果。

圖3 第一觀測(cè)站圍巖變形曲線

圖4 第二觀測(cè)站圍巖變形曲線

由圖3 可以看出：在第一觀測(cè)點(diǎn)，頂板的最終下沉量為141.03 mm，下沉速度為37.78 mm/d，頂?shù)装宓淖罱K位移量為189.09 mm，移動(dòng)速度為45.10 mm/d，兩幫最終的位移為136.92 mm，移動(dòng)速度為24.88 mm/d。此外，軟巖巷道的圍巖收斂都發(fā)生在15 d 之內(nèi)，最大的位移速度發(fā)生在第5 d。

如圖4 所示，在第二觀測(cè)點(diǎn)，頂板的最終下沉量為133.98 mm，下沉速度為34.94 mm/d，頂?shù)装宓淖罱K位移量為208.11 mm，移動(dòng)速度為49.63 mm/d，兩幫最終的位移為198.00 mm，移動(dòng)速度為243.24 mm/d。該觀測(cè)點(diǎn)軟巖巷道的圍巖收斂都發(fā)生在15 d之內(nèi)，最大的位移速度發(fā)生在第3 d[4-5]。

4 結(jié)語(yǔ)

以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為核心，結(jié)合軟巖巷道的地質(zhì)條件，重新設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)的截割順序，提出定時(shí)排除廢料，廢水的現(xiàn)場(chǎng)施工，以消除軟巖地質(zhì)在掘進(jìn)時(shí)造成的不利影響。此外，優(yōu)化掘進(jìn)工序，確保新技術(shù)高效運(yùn)行。對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)研究，研究表明該新型快速掘進(jìn)技術(shù)在軟巖巷掘進(jìn)工作中有著安全、穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點(diǎn)。