王中財 曲延倫

(兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東省鄒城市，273512)

1 技術(shù)創(chuàng)新背景

隨著煤礦綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已出現(xiàn)年產(chǎn)千萬噸級的單個工作面，使掘進煤巷尤其是工作面回采巷道長度大幅度增加，巷道快速掘進和支護技術(shù)已成為制約煤礦高效大規(guī)模生產(chǎn)的關鍵因素，也是保證礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件。但對于當前立井開拓的煤礦而言，綜合掘進技術(shù)的發(fā)展滯后于綜采技術(shù)，綜合掘進技術(shù)滿足不了綜采生產(chǎn)的現(xiàn)象突出，特別是在大斷面單巷綜合掘進技術(shù)方面更加明顯。此外，由于煤礦開采深度的增加，深部復雜條件下煤巷支護難度越來越大，更是制約了煤巷的掘進速度。因此，改進深部厚煤層大斷面煤巷快速掘進和支護技術(shù)具有重大意義。

以兗礦集團東灘煤礦為例，目前該礦核定生產(chǎn)能力750萬t/a，煤巷掘進工程量高達14000 m/a，但在厚煤層放頂煤工作面回采巷道掘進時，大斷面煤巷掘進速度明顯較慢，目前平均只有3960 m/a，導致采掘接替緊張。本文通過分析東灘礦三采區(qū)大斷面回采巷道條件與施工情況，分析了其掘進速度較慢的原因，研究了厚煤層大斷面煤巷快速掘進與支護優(yōu)化設計原理，提出大斷面煤巷快速掘進與支護技術(shù)的改進方案。

2 改進前巷道條件及施工分析

2.1 地質(zhì)條件與掘進現(xiàn)狀分析

東灘煤礦煤巷掘進深埋高應力、煤層起伏大、斷層多、煤層結(jié)構(gòu)復雜，是快速掘進與支護的不利因素。在此條件下，首先要通過短掘短支、高強度與高密度支護的方式，實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定，避免巷道發(fā)生大變形及失穩(wěn)，但由于巷道斷面大，錨桿錨索數(shù)量多、支護密度高、支護強度大，大幅增加了掘進工作量，延長了支護時間。

2.2 支護方式與勞動作業(yè)分析

目前東灘礦整體掘進機械化水平偏低，煤巷支護大都采用人工掛前探梁臨時支護，使用單體錨桿鉆機永久支護。由于采用一掘一支、短掘短支循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進尺800 mm，造成巷道掘進工序時間長。同時，掘進和支護不能平行作業(yè)，而且每個循環(huán)內(nèi)掘進機多次前移和后退，增加了掘進時間，進而使整個循環(huán)時間增加。

3 大斷面煤巷快速掘進與支護技術(shù)研究

3.1 快速掘進與支護條件分析

目前，我國井工開采煤礦在穩(wěn)定煤層多巷快速掘進技術(shù)、淺埋穩(wěn)定煤層單巷掘進技術(shù)上都取得了很大進步，掘進速度能夠滿足采煤生產(chǎn)需要。另外，兗礦集團采用的掘錨一體化技術(shù)在地質(zhì)條件較好的煤層單巷掘進中也取得了較好的效果，但掘錨一體化技術(shù)對于深部復雜地質(zhì)條件的適應性較差。因此，對于復雜地質(zhì)條件下的深部大斷面煤巷，提高煤巷的掘進速度并保證支護質(zhì)量，是實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素。

通過對東灘礦煤巷掘進工序分析可發(fā)現(xiàn)，提高巷道施工速度可從以下方面考慮：優(yōu)化支護參數(shù)、適當降低支護密度；提高臨時支護和永久支護的機械化程度與速度；優(yōu)化掘進機作業(yè)方式；合理安排掘、支作業(yè)順序，最大限度地平行作業(yè)。

3.2 試驗巷道位置與地質(zhì)情況概述

東灘礦3304軌道平巷位于-660 m開采水平，地面標高+50.28～+50.77 m，井下標高在-518.3～494.4 m，位于三采區(qū)3號煤層軌道巷以西，南鄰3303工作面(采空區(qū))，北鄰3305工作面(未開拓)。3304軌道平巷總長度約1048 m。

平巷自3303運輸平巷連接西幫開門，巷道沿3號煤層底板層位掘進，3號煤層厚8.2～9.2 m，普氏系數(shù)f=2～3；3號煤層直接頂為粉砂巖，厚3.65～4.25 m，普氏系數(shù)f=4～5；3號煤層老頂為中細砂巖，厚14.21～17.7 m，普氏系數(shù)f=5～6；3號煤層直接底為粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖，厚5.6～7.35 m，普氏系數(shù)f=4～5；老底為細砂巖，厚3.88～14.34 m，普氏系數(shù)f=5～7。

3.3 快速掘進與支護技術(shù)研究內(nèi)容

針對厚煤層開采大斷面煤巷掘進速度慢、機械化程度低、易造成采掘接替緊張的問題，以東灘礦3304軌道平巷地質(zhì)采礦條件為依據(jù)，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，對巷道支護參數(shù)優(yōu)化、大斷面煤巷支護技術(shù)、快速永久支護裝備的選型與配套展開研究，主要研究內(nèi)容包括：

(1)大斷面煤巷單巷掘進快速支護設備配套及工藝：設計機械化臨時支護及掘進機等裝備在沿空巷道掘進中的作業(yè)方式并在現(xiàn)場進行工程實踐，并在實踐過程中對其加以改進，以便更好地適應快速掘進的需求。

(2)厚頂煤大斷面煤巷的支護優(yōu)化設計原理：提出掘進工作面臨時支護強度的理論計算方法，對現(xiàn)有的永久支護理論進行改進，在此基礎上優(yōu)化改進深部厚煤層大斷面煤巷現(xiàn)有的支護參數(shù)。

(3)大斷面煤巷掘進支護與圍巖的三維動態(tài)作用關系：在分析深部綜放沿空掘巷圍巖破壞特點的基礎上，建立沿空掘巷圍巖力學模型，對掘進工作面推進過程中掘進與支護相互作用下圍巖三維應力、位移的分布變化規(guī)律進行研究，并提出分段多級支護技術(shù)，為巷道支護設計提供理論依據(jù)。

3.4 快速掘進與支護技術(shù)研究成果與實踐

(1)研究掘進工作面圍巖冒落破壞機制，結(jié)合東灘礦井下現(xiàn)場實際情況，在3304軌道平巷掘進期間使用與綜掘機配套的ZLJ-20/21型機載快速支護裝置，見圖1。該裝置是用于掘進空頂區(qū)進行臨時快速支護的輔助裝置，安裝在綜掘機上并與掘進機配套使用,解決目前煤巷掘進使用前探梁臨時支護存在的弊端，對空頂區(qū)進行安全可靠、快速支護。使掘、支、錨平衡，提高綜掘機械化程度，實現(xiàn)快速掘進與支護。

圖1 機載快速支護裝置與掘進機裝配外形圖

(2)改進了巷道頂板錨固組合梁理論，優(yōu)化了3304軌道平巷斷面與支護參數(shù)：巷道由傳統(tǒng)梯形斷面變更為倒梯形斷面，巷道兩幫92°扎角，下凈寬度4.8 m，上凈寬度5 m；凈斷面面積18.62 m2；巷道掘進高度4.0 m，下底掘進寬度5 m，上底掘進寬度5.2 m，掘進斷面面積20.4 m2。頂板錨桿排距由現(xiàn)在的800 mm增長至900～1000 mm，頂板錨索排距由1600 mm增長至1800 mm，頂板錨索由兩根直徑22 mm錨索減少為1根錨索，幫錨索的間排距為1700 mm×1800 mm。

(3)確定3304軌道平巷的錨網(wǎng)帶、錨索聯(lián)合支護方式，具體支護參數(shù)為：頂板每排布置7根?22 mm×2400 mm高強左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距750 mm×900 mm；巷中以北500 mm位置每隔1800 mm布置1根?22 mm×8500 mm的錨索；兩幫每排各布置5根錨桿，兩幫上部4根錨桿采用?20 mm×2000 mm強螺紋鋼錨桿，第5根錨桿采用?20 mm×1000 mm全螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距為850 mm×900 mm，沿空幫頂板向下500 mm按25°～35°仰角打注1根?22 mm×5000 mm錨索，幫部中間位置垂直煤壁打注1根?22 mm×3500 mm錨索，實體幫一側(cè)布置2根?22 mm×8500 mm錨索，間距為1700 mm。巷道斷面支護示意圖見圖2。

圖2 3304軌道平巷斷面支護圖

(4)為避免掘進與支護相互分離，實現(xiàn)最大限度平行作業(yè)，提高掘進支護速度，研究提出大斷面煤巷分段多級支護技術(shù)，即將支護分為臨時支護、及時支護和滯后支護3個等級，確定了各級支護時間和滯后距離、支護參數(shù)和支護強度等：施工時在巷道頂幫成型完整、壓力顯現(xiàn)正常時，使用機載快速支護裝置每循環(huán)施工2排鋼帶，兩幫上部2根錨桿每循環(huán)施工1次，第三根錨桿滯后迎頭4排打注，第4、5根錨桿滯后迎頭5排打注；過斷層、壓力集中區(qū)等特殊構(gòu)造段及幫部煤壁松軟、片幫時幫部錨桿緊跟迎頭打注。

通過采用上述快速掘進與支護技術(shù)，3304軌道平巷平均月進尺達到410 m，較原施工方式提高了約80 m，實現(xiàn)了快速安全掘進的目的?，F(xiàn)場監(jiān)測表明，巷道在掘進和回采期間(采煤工作面前方)能夠保持穩(wěn)定，巷道掘進期間，頂?shù)孜灰屏科骄平繛?63.7 mm，兩幫平均移近量298.1 mm?；夭善陂g，頂?shù)装逡平繛?50 mm，兩幫移近量為845 mm，此時頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?90 mm，兩幫最大移近量為1110 mm，巷道支護保持穩(wěn)定，滿足采煤生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論與推廣意義

通過對厚煤層大斷面煤巷快速掘進與支護技術(shù)的研究與實踐，形成了新的厚煤層大斷面煤巷快速掘進與支護技術(shù)。該技術(shù)操作簡單可靠，且施工機械化程度高。在東灘礦3304軌道平巷掘進的現(xiàn)場實踐應用表明，巷道平均月進尺達到410 m，較原施工方式提高了約80 m，實現(xiàn)了快速安全掘進的目的。該技術(shù)能有效提高東灘煤礦深部采區(qū)煤巷掘進速度，有效控制沿空巷道的圍巖變形，提高巷道圍巖穩(wěn)定性，保障工作面作業(yè)空間；提高了巷道掘進速度，降低了由于支護不當所造成的頂板事故發(fā)生率和巷道維修工作量，為綜放開采的高產(chǎn)高效提供了保障；同時，提高了機械化作業(yè)程度，降低了工人勞動強度，有利于工人的人身安全和健康。該技術(shù)可對復雜地質(zhì)條件大斷面煤巷快速掘進與支護技術(shù)起到積極推動作用，為兗州礦區(qū)乃至全國高產(chǎn)高效開采的大斷面煤巷快速掘進與支護提供技術(shù)支持，具有一定的工程應用價值。