申 建 偉

（山西長治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

0 引 言

隨著煤礦的不斷開采，巷道掘進(jìn)面臨著越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件，巷道掘進(jìn)速度嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)，選取合適的巷道斷面形狀、合理的支護(hù)方式及快速掘進(jìn)工藝是提高巷道掘進(jìn)速度、降低巷道成本、保證礦井安全高效開采的重要因素[1-2]。

張聰[3]針對4 臺煤礦21022 巷機(jī)頭段采用雙向開口分層掘進(jìn)施工工藝，快速完成了掘進(jìn)任務(wù)；李紅斌[4]分析了影響井下巷道掘進(jìn)的幾個因素，并在此基礎(chǔ)上探討了快速掘進(jìn)技術(shù)措施；齊首靖[5]針對正城煤礦采用了新型的掘進(jìn)和支護(hù)設(shè)備，大大提高了巷道掘進(jìn)速度?，F(xiàn)針對經(jīng)坊煤業(yè)3-807 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行斷面優(yōu)化和快速掘進(jìn)工藝研究。

1 礦井概況

經(jīng)坊煤業(yè)位于山西省長治市，批準(zhǔn)開采3 號煤層，生產(chǎn)規(guī)模300 萬t/a，3-807 工作面位礦井井田西北部，設(shè)計(jì)工作面長度200 m，順槽長度1 960 m，煤層平均厚度5.6 m，3 號煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，下距9 號煤層55.72～79.70 m，煤層賦存標(biāo)高250～500 m，埋藏深度440～680 m。平均580.4 m。煤層厚4.24～6.52 m，平均厚度為5.65 m。3 號煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 3 號煤層頂?shù)装鍘r層分布表

2018 年山西經(jīng)坊煤業(yè)組建了開拓隊(duì)、掘進(jìn)隊(duì)，采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝進(jìn)行施工，但由于其地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層松軟、破碎；加之員工技術(shù)水平低，勞動組織不盡合理，導(dǎo)致采掘銜接緊張。因此，3 號煤的安全快速掘進(jìn)是實(shí)現(xiàn)工作面安全開采的重要條件。

2 試驗(yàn)巷道復(fù)雜地質(zhì)條件表現(xiàn)特征

開展煤巷快速掘進(jìn)，需對巷道所處具體條件進(jìn)行分析研究，3-807 回風(fēng)順槽復(fù)雜地質(zhì)條件的表現(xiàn)特征為：

1）偽頂炭質(zhì)泥巖和直接頂泥巖為軟巖，巷道復(fù)合頂板成型困難，容易冒落。

2）工作面所處地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜，褶曲和斷層較多，圍巖較破碎。

3）煤層頂?shù)装迳皫r裂隙發(fā)育、已形成導(dǎo)水通路，進(jìn)而發(fā)生涌水事故。

4）煤層瓦斯含量較高，瓦斯壓力較大，需進(jìn)行瓦斯治理。

3 巷道斷面及支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

3.1 巷道斷面數(shù)值模擬研究

根據(jù)3-807 工作面煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)，愛用FLAC 3D 建立數(shù)值模擬模型，模擬巷道都不支護(hù)且地質(zhì)條件相同的條件下，分析比較梯形斷面與拱形斷面在掘進(jìn)期間，變形量及圍巖應(yīng)力狀態(tài)，選取合適的巷道斷面，2 種巷道斷面均沿煤層臥底布置。

分析數(shù)值模擬結(jié)果，可得距離掘進(jìn)頭10m 處巷道應(yīng)力分布、位移分布和塑性區(qū)發(fā)育情況，參見下圖。

圖1 拱形巷道垂直應(yīng)力分布

圖2 梯形巷道垂直應(yīng)力分布

圖3 拱形巷道垂直位移分布

圖4 梯形巷道垂直位移分布

圖5 拱形巷道塑性區(qū)分布

圖6 梯形巷道塑性區(qū)分布

圖1—圖2 顯示巷道垂直應(yīng)力分布規(guī)律：拱形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大垂直應(yīng)力21.8 MPa，梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大垂直應(yīng)力25.7 MPa；由數(shù)值模擬巷道水平應(yīng)力得到：拱形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大水平應(yīng)力18.3 MPa，梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大水平應(yīng)力20.7 MPa；通過2 種巷道形式引起的應(yīng)力分布分析，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道引起的應(yīng)力集中要小的多。

圖3—圖4 顯示巷道垂直位移分布規(guī)律：拱形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大頂板下沉量21.9 mm，梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大頂板下沉量47.7 mm；由數(shù)值模擬巷道水平位移得到：拱形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的兩幫最大收縮量39.8 mm，梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的兩幫最大收縮量82.5 mm；拱形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大底臌量18.0 mm，梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的最大底臌量29.7 mm；通過2 種巷道形式引起的應(yīng)力分布分析，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道在掘進(jìn)過程中距工作面10 m 處引起的巷道收縮量要小的多。

圖5—圖6 顯示巷道塑性區(qū)分布規(guī)律：拱形斷面巷道頂板塑性區(qū)深度1.5 m，梯形斷面巷道頂板塑性區(qū)深度2.7 m；拱形斷面巷道兩幫塑性區(qū)深度1.5 m，梯形斷面巷道兩幫塑性區(qū)深度3.0 m；拱形斷面巷道底板塑性區(qū)深度2.0 m，梯形斷面巷道頂板塑性區(qū)深度3.0 m；通過2 種巷道形式引起的塑性區(qū)分析，梯形斷面比拱形斷面巷道的塑性區(qū)發(fā)育。

通過以上分析，可以確定巷道選用拱形斷面受力更小、圍巖變形量小且塑性區(qū)破壞范圍較小，因此針對此類復(fù)合頂板巖層時拱形斷面更為適用。

3.2 快速掘進(jìn)巷道分級弱化支護(hù)方案

為了有效控制復(fù)合頂板變形量，實(shí)現(xiàn)掘、支平行化作業(yè)，對快速掘進(jìn)巷道提出了滯后迎頭分級弱化支護(hù)技術(shù)，具體為掘進(jìn)迎頭先打主要承載錨桿，其余錨桿及錨索滯后一段距離設(shè)置，增大掘進(jìn)時支護(hù)距離，以實(shí)現(xiàn)掘支平行化作業(yè)，選取以下5 個方案進(jìn)行拱形巷道圍巖位移分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，選擇最佳支護(hù)方案。

他將節(jié)足拿至眼前，望了望整齊平滑的切口，心中既痛且惱，道：“天葬刀，果然名不虛傳！小生今天，倒要好好討教一二！”言罷，身軀猛地彈起，節(jié)足大展，朝著天葬師撲下。

表2 方案布置表

通過分析5 中方案下不同掘進(jìn)距離時巷道圍巖變形量，得到如表3 所示。

表3 巷道頂?shù)装逡平勘恚╩m）

分析數(shù)據(jù)可知，采用以上5 個方案進(jìn)行巷道支護(hù)時，除方案5 頂?shù)装逡平枯^大之外，其余方案巷道變形量均差不多，其中方案3 最小，因此，選用方案3進(jìn)行分級弱化支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

4 快速掘進(jìn)工藝流程及方案優(yōu)化研究

4.1 掘進(jìn)設(shè)備及配套設(shè)備優(yōu)化研究

1）綜掘機(jī)選型。根據(jù)綜掘機(jī)選型的原則，選用EBZZOOH 懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

2）配套裝備選用研究。根據(jù)山煤集團(tuán)經(jīng)坊煤業(yè)有限公司現(xiàn)有設(shè)備，使用EBZ-200H 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)割煤和裝煤，配套SGB-420 型刮板運(yùn)輸機(jī)1 部，SSJ-800 型膠帶運(yùn)輸機(jī)1 部，QZP-200 型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)1 部 ，MQT130/2.75 風(fēng) 動 錨 索 鉆 機(jī) 3 臺 ，F(xiàn)BDNo6.3-2×18.5 kW 對旋局扇 1 臺，2 臺錨索張拉儀，2 個風(fēng)動扳手等。

4.2 施工工藝優(yōu)化

1）綜掘機(jī)截割工藝。綜掘機(jī)截割線路如圖7，2位切割起點(diǎn)，由巷道頂部開始進(jìn)刀，按照S 型路線將巷道切割至設(shè)計(jì)斷面，切割頭有效切割深度為200 mm 左右，完成切割后，退出綜掘機(jī)進(jìn)行支護(hù)，然后進(jìn)行下一循環(huán)。

圖7 綜掘機(jī)截割線路示意圖

2）多工序交叉平行作業(yè)。在保證安全生產(chǎn)時，盡量采用多工序交叉平行作業(yè)，提高工作效率，降低巷道成本。頂部錨桿與幫部錨桿平行作業(yè)，滯后錨桿與運(yùn)料平行作業(yè)。

5 結(jié)束語

針對經(jīng)坊煤礦3-807 工作面回風(fēng)順槽巷道掘進(jìn)斷面及速度問題，采用FLAC 3D 數(shù)值模擬手段和工程經(jīng)驗(yàn)對巷道斷面及支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化研究：

采用數(shù)值模擬對巷道梯形和拱形斷面進(jìn)行應(yīng)力分布、圍巖變形、塑性區(qū)分布規(guī)律研究，得到拱形斷面受力更小、圍巖變形量小且塑性區(qū)破壞范圍較小，因此針對此類復(fù)合頂板巖層時拱形斷面更為適用；模擬了5 種支護(hù)方案，最終采用方案3 進(jìn)行分級弱化技術(shù)；針對工作面巷道掘進(jìn)設(shè)備及施工工業(yè)進(jìn)行了優(yōu)化研究。