大斷面半煤巖巷道快速掘進(jìn)技術(shù)分析

仝 凱

（汾西礦業(yè)集團(tuán)靈北煤礦，山西 靈石 031302）

引言

近幾年，隨著礦井采掘深度增加，巷道掘進(jìn)面臨的不利因素影響更為凸顯，給巷道掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)安全的制約更為顯著[1-2]。當(dāng)?shù)V井開采煤層較薄或者掘進(jìn)巷道斷面較大時，巷道往往需要破頂或者破底掘進(jìn)，掘進(jìn)效率往往較低[3-5]。

山西某礦11203 運(yùn)輸巷沿著11 號煤層掘進(jìn)，巷道為典型的半煤巖巷道，巷道掘進(jìn)過程中受巷道斷面大、頂?shù)装鍑鷰r巖性以及穩(wěn)定性、地應(yīng)力等各種因素制約，巷道掘進(jìn)速度較慢。為此，文中就以11203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程實例，根據(jù)巷道現(xiàn)場實際條件提出針對性截割破煤（巖）技術(shù)方案以及圍巖支護(hù)方案，在保證圍巖穩(wěn)定、掘機(jī)安全前提下，提高巷道掘進(jìn)效率，實現(xiàn)快速掘進(jìn)目的。

1 11203 運(yùn)輸巷工程概況

山西某礦11203 運(yùn)輸巷沿11 號煤層頂板掘進(jìn)，煤層厚度均值2.5 m、埋深450 m，受到瓦斯治理、通風(fēng)等因素影響，巷道掘進(jìn)斷面較大，凈高、凈寬分別為4.5 m、3.45 m。11 號煤層直接頂為中砂巖，厚度3.5 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度14 m。底板為泥巖、細(xì)粒至中粒砂巖。具體11 號煤層及頂?shù)讕r層巖性參數(shù)如表1 所示。

表1 巖性參數(shù)

2 巷道掘進(jìn)技術(shù)方案確定

2.1 掘進(jìn)技術(shù)方案設(shè)計

11203 運(yùn)輸巷采用綜掘方式，綜掘機(jī)單刀掘進(jìn)深度500 mm、循環(huán)進(jìn)尺2 000 mm。在分析巷道圍巖特點以及綜掘機(jī)作業(yè)方式基礎(chǔ)上，根據(jù)以往研究成果，提出下述兩種綜掘工藝方案[6-7]：

方案1：綜掘機(jī)截割頭從巷道左幫下部位置分四步開截割，在完成第一步截割后按照S 形軌跡移動，依次完成鄰近的第二部分、第三部分及第四部分煤巖體截割。

方案2：將11203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面分為四個大致相同的部分，巷道開挖分四步進(jìn)行，從巷道左幫底部開始起刀向右截割，至巷道下部截割完成后按照S 形從左到右完成上部煤體截割。具體掘進(jìn)巷道兩種截割方案示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道截割破煤（巖）方案

2.2 模擬分析

采用數(shù)值模擬軟件對巷道截割方案進(jìn)行分析，具體方案1 模擬結(jié)果如下頁圖2 所示。在第一部分開挖時巷道圍巖巷幫出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，其中最大應(yīng)力達(dá)到18.1 MPa，巷幫在側(cè)向壓力作用下容易出現(xiàn)較大位移，同時頂板處應(yīng)力為0 且出現(xiàn)一定程度塑性區(qū)，頂板容易冒落，如下頁圖2-1 所示；在開挖第二部分時巷幫應(yīng)力峰值由18.1 MPa 增至19.3 MPa，如下頁圖2-2 所示；開挖第三部分時拱頂位置出現(xiàn)不同程度應(yīng)力集中，巷幫應(yīng)力峰值由19.3 MPa 增至22.5 MPa，如圖2-3 所示；開挖第四部分后圍巖應(yīng)力呈對稱分布狀態(tài)，應(yīng)力集中區(qū)域有所減少，如圖2-4 所示。巷道采用此種開挖方案時對圍巖擾動較為明顯，待巷道掘進(jìn)完成且應(yīng)力重新分布過程中，圍巖容易出現(xiàn)較大變形甚至頂板出現(xiàn)塌方問題。

圖2 方案1 圍巖應(yīng)力（MPa）分布云圖

具體按照方案2 掘進(jìn)時圍巖應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。在第一步開挖時，巷道圍巖出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，其中應(yīng)力峰值位于巷幫位置，最大為8.2 MPa，明顯低于方案1 中18.1 MPa 應(yīng)力集中峰值，具體如圖3-1 所示；第二步開挖時圍巖應(yīng)力進(jìn)一步增加，由8.2 MPa 增至10.0 MPa，應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，且圍巖塑形區(qū)分布范圍增加不明顯，具體如圖3-2 所示；第三步開挖后巷道巷幫圍巖應(yīng)力集中基本消失，幫到右側(cè)上部幫角位置塑性區(qū)發(fā)育，容易出現(xiàn)垮落，具體如圖3-3 所示；第四步開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力峰值位置向圍巖深部位置轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)有所增加，但是增加幅度不明顯，具體如圖3-4 所示。

圖3 方案2 圍巖應(yīng)力（MPa）分布云圖

從模擬結(jié)果得知，巷道掘進(jìn)采用方案2 時，圍巖應(yīng)力集中程度更小且掘進(jìn)對圍巖擾動不明顯，有助于提高圍巖穩(wěn)定性，進(jìn)而提升圍巖掘進(jìn)效率。

2.3 圍巖支護(hù)技術(shù)方案

圍巖支護(hù)參數(shù)會直接影響支護(hù)耗時，進(jìn)而影響掘進(jìn)效率。依據(jù)11203 運(yùn)輸巷現(xiàn)場實際情況，采用合理的支護(hù)方案不僅可滿足圍巖控制需求而且可降低支護(hù)占用時間，為掘進(jìn)贏取時間。11203 運(yùn)輸巷采用先截割底部后截割上部方式掘進(jìn)，根據(jù)巷道掘進(jìn)特點確定支護(hù)方案，支護(hù)斷面如圖4 所示。由于巷道底板為泥巖，在地應(yīng)力及開挖等影響下，容易出現(xiàn)底鼓問題，因此在底板及幫角位置采用錨桿、錨索強(qiáng)化支護(hù)。

圖4 巷道圍巖支護(hù)方案（單位：mm）

具體圍巖支護(hù)參數(shù)為：在綜掘機(jī)截割破煤巖后，首先在巷道頂板及巷幫鋪設(shè)網(wǎng)孔100 mm 金屬網(wǎng)，規(guī)格2 350 mm×1 050 mm。頂板支護(hù)用預(yù)應(yīng)力錨桿（規(guī)格22 mm×3 000 mm）配合鋼拱架支護(hù)，間排距均為800 mm；在頂板錨桿位置按照45°外插角施工2 根中空注漿錨索（規(guī)格22 mm×4 500 mm），注入水泥漿。巷幫錨桿（規(guī)格22 mm×2 500 mm）間排距為1 000 mm、1 000 mm，上、下部錨桿與頂板、底板間隔分別為500 mm、800 mm。底板錨桿（規(guī)格22 mm×2 500 mm）按照間排距1 500 mm、1 500 mm 布置，幫角采用中空注漿錨索（規(guī)格22 mm×4 500 mm）進(jìn)行加固。

3 結(jié)語

11203 運(yùn)輸巷為半煤巖巷道，巷道斷面大且需要破底掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)期間受到地應(yīng)力、開挖擾動等影響，出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)或變形量大等問題。為提高巷道掘進(jìn)效率，根據(jù)11203 運(yùn)輸巷現(xiàn)場條件，采用數(shù)值模擬技術(shù)對綜掘機(jī)截割破巖方案進(jìn)行分析，并最終確定掘進(jìn)方案。

依據(jù)現(xiàn)場圍巖特征，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用后，11203 巷道掘進(jìn)期間圍巖始終保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)或者頂板冒落等不良情況。同時圍巖變形較小，底鼓在15 mm 以內(nèi)，底鼓不會給掘進(jìn)及使用帶來制約。巷道掘進(jìn)進(jìn)尺可保持260 m/月，在確保圍巖穩(wěn)定及掘進(jìn)安全前提下，實現(xiàn)了快速掘進(jìn)。