大斷面煤巷快速掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

趙平平 趙象卓 劉 琦 盧建平 王浩浩3

（1.陜西延長石油礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源的需求量逐年遞增，而煤炭資源在能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位［1］。在煤炭資源的開采中，離不開巷道的掘進(jìn)，掘進(jìn)的效率直接影響到礦井的產(chǎn)煤量［2-3］。目前國內(nèi)掘進(jìn)工藝主要包括傳統(tǒng)的鉆爆法、綜掘、連采及掘錨一體機(jī)整體掘進(jìn)，其中鉆爆法工序復(fù)雜、效率低、安全性不高，綜掘工藝適應(yīng)性強(qiáng)但掘進(jìn)效率仍較低，連采法對煤礦地質(zhì)條件要求較高。相比較而言，采用掘錨一體機(jī)操作簡單且安全高效。在巷道掘進(jìn)中，掘支是相輔相成的，在支護(hù)技術(shù)方面，錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)在煤礦安全開采中大量采用，在合理布置的基礎(chǔ)上，能有效保證礦井巷道的安全穩(wěn)定［4-5］。

在大斷面巷道的支護(hù)優(yōu)化研究中，趙象卓等［6-7］曾在新疆烏東煤礦及寬溝煤礦提出巷道正幫側(cè)采用玻璃鋼錨桿支護(hù)代替了螺紋鋼錨桿的方案，避免了在回采中采煤機(jī)截齒與鐵質(zhì)錨桿摩擦產(chǎn)生火花。孫小巖等［8］在大斷面托頂煤巷道的支護(hù)研究中，根據(jù)頂煤破壞特征運(yùn)用了“全斷面控型易損部位強(qiáng)化控制技術(shù)”。張杰等［9］在大斷面巷道圍巖非均勻變形的支護(hù)研究中，采取了不同圍巖條件的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。在大斷面巷道掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)中，陳宇等［10］基于掘錨護(hù)一體機(jī)連續(xù)、快速掘進(jìn)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了適應(yīng)快速掘進(jìn)的支護(hù)方案。

目前國內(nèi)外學(xué)者在不同地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)方面已取得了大量成果，但其大多是針對地質(zhì)條件加強(qiáng)支護(hù)，在條件較好的礦井為節(jié)省成本和提高掘進(jìn)效率方面的支護(hù)優(yōu)化研究較少。為提高巴拉素煤礦2102工作面輔運(yùn)順槽掘支效率和降低支護(hù)成本，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，在原設(shè)計(jì)支護(hù)基礎(chǔ)上對巷道掘進(jìn)中支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)展開優(yōu)化研究。

1 工程背景

1.1 大斷面煤巷概況

巴拉素煤礦首采面2102輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)長度為6 441 m，所開采的2號煤層厚2.2～3.5 m，平均為3.2 m。直接頂巖性呈泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚1.0～3.5 m，直接底巖性與直接頂相同，厚1～3 m，2102工作面地質(zhì)綜合柱狀圖如圖1所示。

1.2 現(xiàn)支護(hù)方式

巴拉素煤礦2102工作面輔運(yùn)順槽掘進(jìn)采用山特維克MB670-1型掘錨一體機(jī)。2102工作面輔助運(yùn)輸巷為矩形巷道，寬5.6 m，高3.85 m，支護(hù)形式為頂錨桿8根，矩形布置，斷面中部2根間距為1 000 mm，兩邊的2根間距為500 mm，其他間距為800 mm，排距為1 000 mm，距幫部200 mm打設(shè)第一根。幫錨桿4根，矩形布置，間距800 mm，排距1 000 mm，距頂板550 mm打設(shè)第一根。頂錨索3根，矩形布置，間距1 600 mm，排距2 000 mm，沿巷道中線對稱布置。根據(jù)巷道掘進(jìn)情況及支護(hù)方式，在保證巷道穩(wěn)定、安全的前提下，現(xiàn)支護(hù)方式不僅成本高，而且制約了掘支效率。

2 支護(hù)方案優(yōu)化

2.1 錨桿長度

根據(jù)巴拉素煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析錨桿長度、間排距不同支護(hù)因素對巷道表面位移的影響，結(jié)果見表1。

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設(shè)定兩幫錨桿間排距一定，螺紋鋼錨桿直徑為22 mm、玻璃鋼錨桿直徑為27 mm，分別模擬不同長度錨桿對巷道圍巖變形量的影響規(guī)律。

兩幫錨桿在不同長度下對巷道圍巖變形量的影響如圖2所示。

從圖2可看出，巷道移近量、累計(jì)變形量與幫錨桿長度呈負(fù)相關(guān)。錨桿長度從2 000 mm增加到2 200 mm時巷道頂?shù)装逡平孔冃瘟孔兓^顯著，從50.4 mm降低到29.2 mm，煤柱幫變形量從41.8 mm降低至21.2 mm。錨桿長度進(jìn)一步增加至2 700 mm時，巷道圍巖累計(jì)變形量變化趨勢不變，不過變化幅度顯著減小。結(jié)合巷道現(xiàn)有條件、經(jīng)濟(jì)效益、施工的技術(shù)因素和現(xiàn)場實(shí)際狀況，最終確定幫部支護(hù)螺紋鋼及幫玻璃鋼錨桿長度均選用2 200 mm。

頂錨桿不同長度與巷道圍巖變形量之間的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可看出，巷道圍巖累計(jì)變形量與頂錨桿長度負(fù)相關(guān)，錨桿長度由2 000 mm增加到2 500 mm時巷道圍巖累計(jì)變形量變化較顯著，頂?shù)装逡平繌?2.8 mm降低到18.4 mm；煤柱幫變形量從49.6 mm降低到16.6 mm。錨桿長度由2 500 mm增加到2 700 mm時，巷道圍巖累計(jì)變形量變化趨勢不變，變化幅度顯著減小。結(jié)合圍巖變形量、經(jīng)濟(jì)效益、施工的技術(shù)因素，最終選擇頂錨桿長度為2 500 mm。

2.2 錨桿間距優(yōu)化

2.2.1 頂板錨桿間距

針對2102工作面輔運(yùn)巷頂部支護(hù)時頂錨桿間距的選取，對不同錨桿間距情況下巷道頂錨桿垂直應(yīng)力進(jìn)行研究（圖4），再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，從而選取適宜的頂錨桿間距。

由圖4可知，巷道寬度不變，錨桿垂直應(yīng)力隨著頂板錨桿的間距減小發(fā)生明顯變化，當(dāng)錨桿間距為1 100 mm時，錨桿形成的壓葫蘆狀預(yù)應(yīng)力場無法連成一片，錨桿支護(hù)無法成為一個整體支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)；當(dāng)錨桿間距減小為1 000 mm時，錨桿的壓葫蘆狀垂直應(yīng)力場連為一體，形成了一個有效的支護(hù)應(yīng)力場；當(dāng)錨桿間距減小到900 mm時，錨桿的壓葫蘆狀預(yù)應(yīng)力場仍舊連為一體，但與1 000 mm間距的錨桿支護(hù)對比，沒有明顯的支護(hù)效果提升，1 000 mm錨桿間距已經(jīng)滿足支護(hù)需要。綜上，輔運(yùn)巷選取頂板錨桿間距為1 000 mm。

2102輔運(yùn)巷頂錨桿間距與巷道圍巖累計(jì)變形關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，2102輔運(yùn)巷兩幫錨桿間距從900 mm逐漸增大至1 000 mm時，圍巖累計(jì)變形量不明顯，錨桿間距從1 000 mm增加到1 100 mm時，巷道圍巖變形量顯著增加，可見間距在1 000 mm處已到突變點(diǎn)，繼續(xù)擴(kuò)大錨桿間距巷道圍巖累計(jì)變形量會大幅度增加。考慮圍巖錨固體的承載能力和經(jīng)濟(jì)因素，2102輔運(yùn)巷頂錨桿間距選擇1 000 mm。

2.2.2 兩幫錨桿間距

幫錨桿水平應(yīng)力場分析如圖6所示。

由圖6可知，巷道高度不變，隨著幫錨桿的數(shù)量增加，當(dāng)幫錨桿間距為1 000 mm時，單根錨桿形成的壓葫蘆狀壓力區(qū)間不能形成完整支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿數(shù)量的增加，在錨桿間距為900 mm時錐形壓力區(qū)相互靠近會連為一體，當(dāng)幫錨桿間距減小至800 mm時，對錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散作用的提升變得不明顯。綜上，輔運(yùn)巷選取幫部錨桿間距為900 mm較為適宜。

2102輔運(yùn)巷兩幫錨桿間距與巷道圍巖累計(jì)變形量關(guān)系見圖7。由圖7可知，幫錨桿間距從700 mm增加至900 mm時，圍巖累計(jì)變形量趨勢較為平緩，錨桿間距從900 mm增加至1 000 mm時，巷道圍巖變形量大幅增加，可見錨桿間距在900 mm處已到突變點(diǎn)，增大錨桿間距巷道圍巖變形量會明顯增加。從巷道錨固體的承載能力和穩(wěn)定性考慮，巷幫錨桿間距選擇900 mm較為合理。

2.3 錨桿排距優(yōu)化

錨桿排距的選擇與支護(hù)成本、支護(hù)效果息息相關(guān)。2102輔運(yùn)巷錨桿排距與巷道圍巖累計(jì)變形關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，增加錨桿排距時，巷道圍巖累計(jì)變形量逐漸增加，錨桿排距由1 000 mm增加到1 200 mm時，累計(jì)變形量較為緩慢；錨桿排距由1 200 mm增加到1 400 mm時，圍巖累計(jì)變形量大幅度增加，其中頂?shù)装謇塾?jì)變形量增幅較大，鑒于巷道圍巖穩(wěn)定性。結(jié)合支護(hù)成本，本設(shè)計(jì)2102輔運(yùn)巷頂板及兩幫錨桿排距均為1 200 mm。

2.4 錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案

結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，確定2102輔運(yùn)巷支護(hù)方案如圖9所示。頂板支護(hù)采用φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm，錨索采用φ21.6 mm×6 300 mm的7股鋼絞線，間排距1 800 mm×2 400 mm；巷道煤柱幫選用φ22 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 200 mm；采煤幫選用φ27 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿，間排距900 mm×1 200 mm。

3 掘支效率分析

在確定2102工作面輔運(yùn)巷快速掘進(jìn)支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，同原始支護(hù)條件對比巷道掘支效率。根據(jù)現(xiàn)場施工可知：①煤巷實(shí)際割煤1 m需要10 min；以相同的掘進(jìn)效率計(jì)算可得：煤巷掘進(jìn)1.2 m需要12 min，煤巷掘進(jìn)1.4 m需要14 min；②基于掘錨一體機(jī)錨桿鉆機(jī)配置（4部頂錨桿鉆機(jī)、每幫1部鉆機(jī)），可實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，支護(hù)單根錨桿需要10 min；③現(xiàn)場打單根8.3 m錨索需要30 min，以相同的錨桿支護(hù)效率計(jì)算可得，打單根6.3 m的錨索需要20 min，打單根3.3 m錨索需要15 min。

選取2102輔運(yùn)巷為研究對象?；诎屠孛旱V作業(yè)循環(huán)制度采用“三八”制，為對比不同支護(hù)方案下的巷道掘支效率，設(shè)定每班8 h均在掘支作業(yè)，則原始支護(hù)方案下，單班進(jìn)尺為13.34 m，優(yōu)化方案下為16 m，掘支效率可提高20%。

4 結(jié) 論

（1）通過模擬分析錨桿間排距及錨索布置方式對巷道圍巖穩(wěn)定的影響，結(jié)合掘錨一體機(jī)的支護(hù)特性，在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化了2102輔運(yùn)順槽的支護(hù)方案，頂板支護(hù)采用φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 200 mm，錨索采用φ21.6 mm×6 300 mm的7股鋼絞線，間排距1 800 mm×2 400 mm；巷道煤柱幫選用φ22 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 200 mm；巷道采煤幫選用φ27 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿，間排距900 mm×1 200 mm。

（2）試驗(yàn)表明，采用支護(hù)優(yōu)化方案后兩幫最大移近量為23.5 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?8 mm，頂板未發(fā)生離層現(xiàn)象，巷道圍巖安全穩(wěn)定，且掘支效率提高了20%。