單巷快速掘進(jìn)技術(shù)在斜溝煤礦的應(yīng)用

郭俊生，李玉岐，謝 苗

（1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

近幾年，我國(guó)煤礦裝備正在向“機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化”方面如火如荼的發(fā)展。目前，晉陜蒙等地區(qū)因地制宜，在煤礦掘錨一體機(jī)、連采機(jī)掘巷的應(yīng)用中發(fā)展較快[1]，但由于我國(guó)煤層賦存條件具有多樣性和復(fù)雜性，不同區(qū)域的煤層開(kāi)采地質(zhì)條件、開(kāi)采技術(shù)水平、管理水平等發(fā)展極不相同[2]，相比之下綜掘雖效率不高，但在現(xiàn)階段仍是我國(guó)煤礦掘進(jìn)的主體。綜掘效率低下制約進(jìn)尺的關(guān)鍵問(wèn)題就是掘與支不能平行作業(yè)，支護(hù)作業(yè)占整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間的60%左右[3]。以斜溝煤礦綜掘循環(huán)進(jìn)度2 m計(jì)算，每截割1個(gè)循環(huán)約55 min，臨時(shí)支護(hù)約15 min，永久支護(hù)2排頂錨桿14根約60 min，永久支護(hù)1排頂錨索2根約30 min，支護(hù)時(shí)間是掘進(jìn)時(shí)間的2倍左右，如能打破掘與支互相制約、互相影響的關(guān)系，效率就能得到大幅度的提升?；诖?，礦井在快速掘進(jìn)裝備配套前期定位在以現(xiàn)有綜掘平臺(tái)為載體，以國(guó)內(nèi)目前煤炭掘進(jìn)的先進(jìn)裝備為支撐[4]，研究配套1種能夠?qū)崿F(xiàn)巷道連續(xù)、安全、高效的掘進(jìn)設(shè)備與技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)礦井單巷快速掘進(jìn)的目的。

1 單巷快速掘進(jìn)技術(shù)適用地質(zhì)條件

從漳村煤礦[5]、黃陵二號(hào)煤礦[6]、涼水井煤礦[7]調(diào)研情況分析，該快掘進(jìn)技術(shù)適用于頂、底板較穩(wěn)定的中厚煤層，一般要求適合在地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層傾角小于10°的區(qū)域掘進(jìn)，可掘進(jìn)斷面寬度范圍為5.4～6.0 m，高度范圍為3.5～4.5 m，因地制宜是能否實(shí)施該項(xiàng)目的必要條件。

1.1 煤層及圍巖情況

礦井在8#煤層試驗(yàn)快速掘進(jìn)系統(tǒng)，煤層厚度為0.93～8.34 m，平均4.57 m，是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定的可采煤層。煤層平均抗壓強(qiáng)度24.66 MPa，硬度系數(shù)f=2～3。煤層位于山西組下部，上距6#煤層2.33～28.05 m，平均13.48 m；下距S4砂巖0～20.00 m，平均為2.10 m。煤層基本頂為中粗粒砂巖，厚度為4.13～21.27 m，平均11.04 m，抗壓強(qiáng)度52.67 MPa，硬度系數(shù)f=5.3，屬中硬頂板[8]。直接頂為中細(xì)粒砂巖，巖層普氏硬度6～8，厚度0～19.69 m，平均2.46 m。直接底為泥巖，巖層普氏硬度為2～3，厚度0～7.39 m，平均1.04 m?；镜诪榧?xì)粒砂巖，巖層普氏硬度為7～8，厚度0～5.95 m，平均3.03 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

斜溝井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體上為一走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)造。地層傾角小于15°，一般為9°～12°。

2 長(zhǎng)距離臨時(shí)支護(hù)模擬分析

單巷快速掘進(jìn)的核心就是循環(huán)割煤→長(zhǎng)距離臨時(shí)支護(hù)→永久支護(hù)的銜接過(guò)渡，確定合理的臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度是實(shí)現(xiàn)掘支運(yùn)連續(xù)平行作業(yè)的關(guān)鍵?；贔LAC3D軟件以18106材料巷工程地質(zhì)特性建立模擬計(jì)算模型[9]，本次模擬取長(zhǎng)100 m，寬30 m，高24 m，斷面24 m2（寬6.0 m，高4.0 m）模型共劃分為141 045個(gè)單元，128 476個(gè)節(jié)點(diǎn)，。主要對(duì)巷道開(kāi)挖后10、20、30 m不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)下的塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)、位移量3個(gè)方面進(jìn)行了模擬計(jì)算[10]。不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)巷道塑性區(qū)圖、應(yīng)力場(chǎng)圖、位移量圖如圖1～圖3。

圖1 不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)巷道塑性區(qū)圖Fig.1 Plastic zone diagram s of tem porarily supported roadways of different lengths

圖2 不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)巷道應(yīng)力場(chǎng)圖Fig.2 Stress field diagrams of tem porarily supported roadways of different lengths

圖3 不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)巷道位移量圖Fig.3 Disp lacement diagrams of temporarily supported roadways of different lengths

通過(guò)模擬分析可知[11]，巷道開(kāi)挖后，由于圍巖應(yīng)力的釋放，在不同長(zhǎng)度臨時(shí)支護(hù)下巷道圍巖雖未發(fā)生強(qiáng)度破壞，但“弱化擴(kuò)展度”隨著距離的增加明顯加大，頂板離層量從8.4～10.6 mm（支護(hù)長(zhǎng)度10 m），增加到11.3～17.5 mm（支護(hù)長(zhǎng)度30 m），底板只出現(xiàn)少數(shù)位置破壞，表明臨時(shí)支護(hù)能夠有效控制頂板離層，但由于臨時(shí)支護(hù)對(duì)巷道兩幫支護(hù)的減弱，在模擬中也反映出支護(hù)弱化對(duì)其造成的后果，表現(xiàn)為在臨時(shí)支護(hù)段巷道的頂?shù)捉恰蓭图熬蜻M(jìn)前方應(yīng)力的增大。在臨時(shí)支護(hù)達(dá)到30 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力增大到25.15 MPa、頂板下沉17.5 mm、兩幫移近各22.6 mm，單獨(dú)采用臨時(shí)支護(hù)設(shè)備控制圍巖變形已較為困難，當(dāng)頂板離層大于離層界限值后將對(duì)控頂有較大的影響[12]。綜合考慮，臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度確定為20 m較為合理。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中要視情況對(duì)巷道兩幫進(jìn)行有效的支護(hù)以便控幫、控頂。

3 單巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)巷道及支護(hù)參數(shù)

礦井在18106材料巷進(jìn)行快速掘進(jìn)試驗(yàn)，該巷道沿8#煤層頂板施工，蓋山厚度為159～327 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3 736.718 m，開(kāi)口方位角為180°（沿煤層走向掘進(jìn)）。

巷道為矩形斷面，掘?qū)?.5 m，掘高3.8 m，掘進(jìn)斷面18.29 m2。

試驗(yàn)巷道支護(hù)參數(shù)如下：

巷道支護(hù)頂錨桿采用φ22 mm×2 600 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，7根矩形布置，間距0.85 m，排距1.0 m；頂錨索采用φ21.6 mm×5 500 mm鋼絞線(xiàn)，3根花形布置，間距2.55 m，排距2.0 m。煤柱幫幫錨桿采用φ22 mm×2 600 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，3根矩形布置，間距1.2 m，排距1.0 m；工作面幫幫錨桿采用φ20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，2根矩形布置，間距1.0 m，排距2.0 m；幫錨索采用φ21.6 mm×3 500 mm鋼絞線(xiàn)沿煤柱側(cè)幫布置1排，距離底板2 m位置布置，間距2.0 m。頂錨桿預(yù)緊力距在300 N·m以上，幫錨桿預(yù)緊力距在70 N·m以上，頂錨索預(yù)緊力不小于200 kN。18106材料巷支護(hù)參數(shù)示意圖如圖4。

圖4 18106材料巷支護(hù)參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of 18106 material lane support parameters

3.2 快速掘進(jìn)設(shè)備配套

配置ZLH2×1040/30/44型滑移支架[13]，單組設(shè)備寬度5.3 m，高度3～4.4 m，初撐力2×760 kN（20 MPa），工作阻力2×1 040 kN（28 MPa），8根立柱為1組（主架4根、副架4根），支護(hù)長(zhǎng)度10 m，移架步距1.0 m。工作面配置2組共20 m進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，2組支架頭尾搭接2.5 m（掘支平行作業(yè)緩沖段）[14]。該設(shè)備將掘進(jìn)機(jī)罩在其中，隨掘進(jìn)工作面的推進(jìn)組合邁步式前移，同時(shí)采用主、副架結(jié)構(gòu)，在移架時(shí)可以始終保持工作面及掘進(jìn)機(jī)、二運(yùn)等設(shè)備所在巷道的接頂支護(hù)[15]。在設(shè)備配套過(guò)程中將掘進(jìn)皮帶機(jī)尾爬道加長(zhǎng)至30 m并配置CMM5-30Y騎跨式液壓錨桿鉆車(chē)，該鉆車(chē)支護(hù)范圍寬5 900 mm×高3 740 mm，可騎跨高度不超過(guò)1 m，寬度不超過(guò)2.1 m的帶式輸送機(jī)，將永久支護(hù)放在支架尾部施工，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、集成化、連續(xù)化、快速化掘進(jìn)巷道[16]。

3.3 臨時(shí)支護(hù)段頂板離層監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)2組滑移支架（20 m）控頂程度的好壞，在滑移支架下方施工頂板窺視孔，窺視孔每排2個(gè)，間排距2 m錯(cuò)位布置，孔徑32 mm，孔深6 m，共計(jì)施工10排20個(gè)鉆孔。采用KDBC-56型數(shù)字全景鉆孔窺視儀跟蹤窺視不少于4次，對(duì)比支護(hù)前后頂板變化情況。取2#、17#鉆孔窺視結(jié)果對(duì)比，2#、17#鉆孔窺視結(jié)果對(duì)比圖如圖5。

圖5 2#、17#鉆孔窺視結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 2#、17#drilling peek results com parison chart s

通過(guò)2#、17#鉆孔窺視結(jié)果分析，頂板為泥巖且泥巖裂隙發(fā)育時(shí)，頂板在0.8 m范圍內(nèi)受掘進(jìn)機(jī)截割擾動(dòng)和開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力重新分布的雙重力的作用下，易誘發(fā)原生裂隙二次發(fā)育甚至出現(xiàn)局部離層的現(xiàn)象，得到支護(hù)后將有效減小離層速度和離層量，在1～2 d內(nèi)趨于穩(wěn)定。頂板泥巖完整或直接為砂巖頂板時(shí)，跟蹤窺視期間從始到終沒(méi)有變化，表明掘巷對(duì)其影響較小。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，滑移支架初撐力必須動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)，接頂嚴(yán)密，不得反復(fù)升降支架，避免重復(fù)支撐對(duì)頂板造成二次破壞，同時(shí)臨時(shí)支護(hù)時(shí)間不得超過(guò)1 d以上，特別是遇頂板泥巖裂隙發(fā)育時(shí)，要加強(qiáng)頂板管理。

3.4 差異化支護(hù)錨桿（索）受力監(jiān)測(cè)

根據(jù)頂板完整條件，在快速掘進(jìn)中實(shí)行差異化支護(hù)管理。當(dāng)頂板條件較差時(shí)，工作面采用頂錨桿“三四”型（鋼帶打設(shè)眼位分別為第1排1、4、7和第2排1、3、5、7孔，必要時(shí)同時(shí)支護(hù)兩幫）進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。為監(jiān)測(cè)不同支護(hù)密度下頂錨桿受力情況判定頂板受控程度，頂板破碎時(shí)，在及時(shí)支護(hù)（2排）和永久支護(hù)（1排）頂錨桿（索）分別安裝GYM400在線(xiàn)測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[17]，頂錨桿“兩區(qū)”受力情況，"兩區(qū)"頂錨桿受力圖如圖6。

圖6 “兩區(qū)”頂錨桿受力圖Fig.6 “Two-zone”top bolt force diagram

通過(guò)對(duì)比不同支護(hù)密度下錨桿受力情況可以發(fā)現(xiàn)，在及時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)“兩區(qū)”內(nèi)所監(jiān)測(cè)的頂錨桿的預(yù)緊力矩在施工期間均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，頂板巖層變化在1～2 d內(nèi)能夠快速穩(wěn)定并隨時(shí)間的推移錨桿受力逐漸趨向平穩(wěn)，表明錨桿的受力變化不大，頂板受控狀態(tài)良好。差異化支護(hù)錨桿受力變化與鉆孔窺視變化基本吻合。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，永久支護(hù)必須緊跟支架機(jī)尾，盡量減小工作面控頂距離、減少懸頂時(shí)間，工作面空幫距離也不易過(guò)大，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行“三區(qū)兩幫”的聯(lián)動(dòng)支護(hù)控頂控幫，安全管理巷道頂板。

3.5 快速掘進(jìn)工藝

1）由EBZ260型掘進(jìn)機(jī)割煤（循環(huán)進(jìn)度2 m）并清理浮煤，將前探梁向上旋起緊貼工作面頂板巖面。

2）確保主架門(mén)式梁（第2、第4橫梁）架設(shè)的鉸接縱梁接頂，收起副架4根立柱距底板400 mm后，以主架門(mén)式梁（第2橫梁）為支撐點(diǎn)收縮移架千斤頂前移副架（以第3橫梁為連接點(diǎn)）行程為1.0 m，前移到位后伸出副架4根立柱接底，至副架門(mén)式梁（第1、第3橫梁）架設(shè)的鉸接縱梁接頂。前移主架和前移副架過(guò)程基本相同，移架到位后必須保證立柱打設(shè)在巷道實(shí)底，主副支架鉸接縱梁左右擺動(dòng)距離不得超過(guò)10 cm。按上述步驟前移第2組并配合尾部的錨桿鉆車(chē)完成永久支護(hù)。

3）掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)，同步操作液壓錨桿鉆車(chē)在支架尾部由外向掘進(jìn)工作面逐排順序施工，完成永久（平行）支護(hù)。當(dāng)頂板條件較差時(shí)，操作主架前探梁向下旋轉(zhuǎn)至適當(dāng)位置，在副架挑梁下方將鋼帶及金屬網(wǎng)與前探梁固定好后，將前探梁向上旋起緊貼工作面頂板巖面，在滑移支架前探梁的掩護(hù)下人工支護(hù)部分頂錨桿，采用“三四”型對(duì)工作面頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，剩余頂、幫錨桿（索）仍由錨桿鉆車(chē)完成。

3.6 應(yīng)用效果

2019年8月礦井完成18106材料巷快速掘進(jìn)設(shè)備的安裝調(diào)試后，12月進(jìn)尺就達(dá)到了395 m。在2020年4月和6月進(jìn)尺分別達(dá)到了433 m和485 m，并在6月12日、13日連續(xù)2天單班進(jìn)尺達(dá)到15 m，單日進(jìn)尺達(dá)到25 m，隨著隊(duì)組工人熟練程度的不斷提高，掘進(jìn)效率持續(xù)提升，進(jìn)度仍將刷新記錄，現(xiàn)礦井基本實(shí)現(xiàn)了單巷快速掘進(jìn)的目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)18106材料巷快速掘進(jìn)試驗(yàn)初期出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)加裝掘進(jìn)機(jī)鏟板攉煤板、改造架內(nèi)彈性風(fēng)筒、增加支架對(duì)中報(bào)警、改進(jìn)錨桿鉆車(chē)升降平臺(tái)、改變錨桿鉆車(chē)?yán)鋮s形式等措施，進(jìn)一步減少了掘進(jìn)施工各工序間等待時(shí)間，各工序銜接更加緊湊合理，現(xiàn)已將掘進(jìn)效率提高到1.5倍以上，基本達(dá)到了巷道連續(xù)、高效、安全掘進(jìn)的任務(wù)。

2）通過(guò)FLAC3D軟件模擬了在不同臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度下巷道圍巖情況，確定合理的臨時(shí)支護(hù)長(zhǎng)度。在試驗(yàn)巷道布置頂板窺視孔、監(jiān)測(cè)錨桿（索）受力對(duì)比永久支護(hù)前后的情況，驗(yàn)證了從實(shí)驗(yàn)到實(shí)踐支護(hù)參數(shù)的轉(zhuǎn)化，為快速掘進(jìn)掘與支的平行作業(yè)提供了前置條件。在實(shí)際施工中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行“三區(qū)兩幫”的聯(lián)動(dòng)支護(hù)，在已掘進(jìn)的巷道要定期監(jiān)測(cè)錨桿（索）測(cè)力計(jì)和頂板離層儀數(shù)據(jù)并及時(shí)分析，確保頂板安全。

3）單巷快速掘進(jìn)技術(shù)以綜掘技術(shù)為平臺(tái)，集合目前國(guó)內(nèi)掘支運(yùn)先進(jìn)設(shè)備，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備配套，真正突破了綜掘各工序互相制約、互相影響的局面，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)中掘支運(yùn)關(guān)鍵工序的平行作業(yè)，大幅度提高了掘進(jìn)效率，是綜掘技術(shù)的一次質(zhì)的飛躍，也是煤礦單巷快速掘進(jìn)發(fā)展的一個(gè)主要方向。