劉俊杰

(山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司,太原 030006)

1 工程概況

霍州煤電三交河煤礦2-502工作面,主采2#煤層,煤層平均厚度4.2 m,平均傾角為2°～16°,存在一層厚度為0.1 m～1 m不等的夾矸,煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,均厚為4 m,基本頂為中砂巖,均厚為6.5 m,直接底為泥巖,厚度為3 m,老底為中砂巖,厚度為2.5 m,具體煤層頂?shù)装鍘r層特性如圖1所示,工作面采用大采高的采煤方法,采高為4 m,工作面地質(zhì)條件較為復(fù)雜,頂板存在較多的破碎區(qū)域。

2 巷道圍巖控制方案及效果

2.1 圍巖支護(hù)方案

根據(jù)2-502工作面運(yùn)輸順槽地質(zhì)賦存條件可知,巷道具有以下特點(diǎn):1)頂板巖層強(qiáng)度較高,不易出現(xiàn)離層,但頂板鉆孔施工困難;2)巷道兩幫為煤體,2#煤煤質(zhì)松軟,節(jié)理、裂隙較為發(fā)育,兩幫控制較為困難;3)巷道斷面較大,對(duì)控制要求較高。通過(guò)對(duì)2-502工作面運(yùn)輸順槽地質(zhì)條件的分析并結(jié)合相關(guān)研究,來(lái)對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定巷道斷面為矩形,高為5.0 m,寬為3.8 m。具體支護(hù)參數(shù)如下:巷道正常段頂板采用規(guī)格為Φ22-M24-2 800 mm的高性能錨桿與金屬網(wǎng)及鋼筋梯子梁進(jìn)行配合支護(hù),錨桿間排距為900 mm×1 000 mm,頂板錨桿打設(shè)6根,頂板錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6 300 mm,間距為10 m,每排在巷道中部打設(shè)一根;巷道兩幫采用規(guī)格為Φ22-M24-2 000 mm的高性能錨桿與金屬網(wǎng)及鋼筋梯子梁進(jìn)行配合支護(hù),巷道斷面內(nèi)每幫錨桿為4根,錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm,同時(shí)頂板及兩幫錨桿安裝預(yù)緊力矩均應(yīng)大于300 N·m,錨固力需大于120 kN,具體巷道支護(hù)參數(shù)如圖2所示;在2-502工作面運(yùn)輸順槽正常段錨桿的布置方式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整為一排6根、一排5根的間隔布置方式。對(duì)于出現(xiàn)頂板破碎、斷層等特殊地質(zhì)構(gòu)造段,通過(guò)在正常段支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)打單體錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定具體支護(hù)參數(shù)。

圖1 2#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.1 Strata histogram of roof and floor strata of No.2 coal seam

圖2 2-502運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面圖Fig.2 Supporting cross-section diagram of 2-502 gateway

2.2 圍巖控制效果

在為對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證,在2-502工作面運(yùn)輸順槽斷面內(nèi)設(shè)置測(cè)點(diǎn),通過(guò)十字布點(diǎn)法觀測(cè)巷道表面位移情況,通過(guò)激光測(cè)距儀計(jì)算處兩幫及頂?shù)装宓囊平考八俣?在測(cè)點(diǎn)布置好后每1 d進(jìn)行一次觀測(cè),持續(xù)進(jìn)行30 d的觀測(cè),將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖3所示,從圖3中能夠看出,在運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間頂?shù)装宸€(wěn)定移近量為79 mm,兩幫最大移近量105 mm,根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知現(xiàn)有正常段的支護(hù)方式能夠保證巷道掘進(jìn)期間的穩(wěn)定。

圖3 巷道圍巖變形曲線圖Fig.3 Deformation curve of surrounding rocks

3 快速掘進(jìn)工藝系統(tǒng)

3.1 掘進(jìn)速度與支護(hù)相關(guān)性

巷道的掘進(jìn)速度受到眾多因素的影響,其中科學(xué)合理的支護(hù)參數(shù)能夠有效提高巷道的掘進(jìn)速度,合理的支護(hù)參數(shù)即為在保證支護(hù)安全的前提下,通過(guò)有效降低錨桿的支護(hù)密度,從而能夠減小巷道掘進(jìn)過(guò)程中錨桿施工所占用的時(shí)間,在巷道的掘進(jìn)過(guò)程中,通過(guò)對(duì)巷道圍巖的變形情況,錨桿、錨索的受力情況及頂板的離層情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),可有效判斷出支護(hù)參數(shù)的合理性,當(dāng)監(jiān)測(cè)到的圍巖變形量較大時(shí),可根據(jù)圍巖變形特征有針對(duì)性的采取有效的措施對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,從而盡量避免巷道的二次支護(hù),進(jìn)而提高巷道掘進(jìn)速度[1-2]。

根據(jù)上述巷道優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù),并結(jié)合巷道圍巖變形量及其余的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,巷道在該種支護(hù)方式下圍巖變形量較小,錨桿及錨索受力狀態(tài)正常,無(wú)頂板離層的現(xiàn)象出現(xiàn),故據(jù)此可知該種支護(hù)方案能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

為有效減少巷道掘進(jìn)支護(hù)的時(shí)間,確定采用掘錨一體的掘進(jìn)機(jī),機(jī)械的型號(hào)為EBZ220,該種機(jī)械是在掘進(jìn)機(jī)的截割部上裝有錨護(hù)裝置,能夠在在不改變?cè)芯蜻M(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使得掘進(jìn)機(jī)能夠成為掘進(jìn)和錨護(hù)多功能一體的機(jī)械,采用該機(jī)械能夠?qū)⑾锏谰蜻M(jìn)時(shí)支護(hù)的主要工藝基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,能有效提高支護(hù)效率,能夠采用機(jī)械替代原有人工前串梁臨時(shí)支護(hù)及人工安裝錨桿的作業(yè),能有效的保障施工安全,提高支護(hù)效率,進(jìn)而整體提高巷道的掘進(jìn)速度[3-4],具體EBZ220型掘錨一體機(jī)截割部的整改如圖4所示。

圖4 EBZ220型掘錨一體機(jī)截割部示意圖Fig.4 Cutting unit of EBZ220 excavation and anchoring machine

3.2 巷道快速掘進(jìn)研究

通過(guò)改善掘進(jìn)工藝能夠有效提高掘進(jìn)速度。在使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí),在巷道掘進(jìn)時(shí)需要司機(jī)手動(dòng)操作,截割速度及路線均根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,極易產(chǎn)生截割頭行走軌跡重復(fù)、巷道挖掘過(guò)度或不足、斷面成型質(zhì)量差等問(wèn)題,并且切割軌跡會(huì)對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)、掘進(jìn)作業(yè)效率以及空頂區(qū)的頂板穩(wěn)定性均有較大的影響,因?yàn)閼冶凼骄蜻M(jìn)機(jī)懸臂在水平擺動(dòng)時(shí)為一個(gè)圓柱面,故掘進(jìn)頭上截齒運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)榕c之相切的擺線,同理,懸臂在垂直面上也為一個(gè)圓柱面,基于此，可將截割頭的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為繞懸臂軸線轉(zhuǎn)動(dòng)與水平平動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng),另外考慮到截割頭直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于懸臂長(zhǎng)度,視截割頭運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)線即為巷道斷面的輪廓線[5]。

現(xiàn)根據(jù)上述分析提出一種標(biāo)準(zhǔn)斷面的截割路線,以梯形巷道為例對(duì)施工工藝順序進(jìn)行描述,掘進(jìn)機(jī)在對(duì)煤(巖)體進(jìn)行截割時(shí),以S型軌跡進(jìn)行作業(yè),巷道斷面的成型階段以及修整階段的截割軌跡如圖5所示。

圖5 S型截割軌跡示意圖Fig.5 S-shapted cutting trajectory

S型截割工藝的具體操作如下:1)清掃場(chǎng)地:啟動(dòng)綜掘機(jī)后收回截割頭,將鏟板放至巷道底板,移動(dòng)綜掘機(jī)到工作面位置,使用截割頭對(duì)掘進(jìn)頭及兩幫浮煤進(jìn)行清掃;2)截割煤柱:在運(yùn)用截割頭進(jìn)刀作業(yè)時(shí),待截割頭完全切入煤壁后停止進(jìn)刀,并運(yùn)用鏟板進(jìn)行運(yùn)煤作業(yè);3)橫向掏槽:截割頭深入煤壁后,將其貼近底板向右移動(dòng),進(jìn)行橫向掏槽作業(yè);4)迂回截槽:當(dāng)截割頭到達(dá)右?guī)秃?將其上升一定距離后,迂回切割,同時(shí)根據(jù)煤巖體的軟弱強(qiáng)度確定截割的跨距大小,并以巖塊小及機(jī)器不過(guò)載為原則。再以巷道中線為基準(zhǔn)線,將巷道兩幫及頂?shù)装暹M(jìn)行一次完整的清理,清理完畢后在進(jìn)行第二次的循環(huán)切割。

2-502工作面運(yùn)輸順槽原有掘進(jìn)工藝采用一次成巷施工,沿著2#煤層底板掘進(jìn),采用EBZ220型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn),人工進(jìn)行錨桿支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)的操作作業(yè),具體工藝流程如圖6所示。

圖6 2-502運(yùn)輸順槽原有工藝流程圖Fig.6 Original process flow diagram of 2-502 gateway

根據(jù)三交河煤礦2-502工作面的地質(zhì)情況、設(shè)備及施工組織管理等因素,同時(shí)確保該巷每個(gè)月400 m～500 m的掘進(jìn)速度,現(xiàn)決定采用改進(jìn)的EBZ220型掘護(hù)錨一體機(jī)進(jìn)行S型截割、錨桿施工及臨時(shí)支護(hù),提高工作效率,減小工人的勞動(dòng)時(shí)間、提高工作效率。新型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)各工序如下所示:小循環(huán)中將頂板6根錨桿一次施工完畢;同時(shí)對(duì)兩幫及底角的錨桿進(jìn)行施工,中循環(huán)中將兩幫肩角及底角錨桿進(jìn)行補(bǔ)齊;大循環(huán)中對(duì)巷道補(bǔ)打單體錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。具體掘進(jìn)施工單個(gè)循環(huán)施工工藝如下所述:1)交接班：進(jìn)行安全檢查,預(yù)計(jì)約20 min;2)割煤:以2 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺,預(yù)計(jì)約50 min;3)掛網(wǎng)：人工掛幫網(wǎng),將頂網(wǎng)、梁置于臨時(shí)支護(hù)上,預(yù)計(jì)約5 min;4)臨時(shí)支護(hù)：預(yù)計(jì)約5min;5)打設(shè)第一排頂、幫鉆孔,按照先上后下進(jìn)行幫部鉆孔施工,先中間后兩幫進(jìn)行頂部錨桿鉆孔施工;6)安裝錨桿：幫部錨桿3 min/根,頂部錨桿5 min/根,鉆孔及安裝共耗時(shí)約45 min;7)重復(fù)第一排錨桿安裝工作,同時(shí)進(jìn)行錨桿鉆孔及安裝錨桿工作,預(yù)計(jì)耗時(shí)約45 min;8)截割出煤后,直至小班結(jié)束,一共能進(jìn)行三個(gè)小循環(huán)。

根據(jù)改進(jìn)后的巷道掘進(jìn)工藝,能夠計(jì)算出每個(gè)循環(huán)時(shí)間耗時(shí)150 min,第一循環(huán)前交接任務(wù)耗時(shí)30 min,具體單個(gè)循環(huán)工序時(shí)間如表1所示。

表1 單循環(huán)工序時(shí)間表Table 1 Uni-cyclic working process schedule

3.3 應(yīng)用效果分析

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)、對(duì)掘進(jìn)工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后大大提高了掘進(jìn)速度。巷道在采用原有施工工藝時(shí),采用“三八”制組織生產(chǎn),每天能進(jìn)行10個(gè)循環(huán),循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為0.8 m～1.0 m,一天共進(jìn)尺長(zhǎng)度為8 m～10 m;在改進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備及對(duì)掘進(jìn)工藝優(yōu)化后,每天能進(jìn)行9個(gè)小循環(huán),小循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為2 m,一天共能進(jìn)尺18 m,更換掘進(jìn)機(jī)及優(yōu)化掘進(jìn)工藝后進(jìn)尺掘進(jìn)速度增幅達(dá)100 %。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)霍州煤電三交河煤礦2-502工作面運(yùn)輸順槽的地質(zhì)情況具體分析后,提出優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù),應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)后巷道圍巖變形量較小,保障了巷道掘進(jìn)時(shí)空頂區(qū)頂板的穩(wěn)定;另外通過(guò)對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備的升級(jí)及掘進(jìn)工藝的優(yōu)化后,大幅度提高了掘進(jìn)速度,進(jìn)尺相對(duì)于原有工藝的增幅達(dá)100 %以上。