侯俊杰

（潞安集團寺家莊有限責(zé)任公司，山西 昔陽 045300）

引言

我國煤礦開采絕大多數(shù)屬于地下開采，由于工作面的環(huán)境特殊且巷道條件復(fù)雜，使得工作面的掘進和回采面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雖然我國已經(jīng)加大了對工作面綜采和綜掘技術(shù)及裝備的投入力度，但是掘進中依然存在回采和掘進效率失調(diào)問題，進而在整體上制約著煤礦的生產(chǎn)效率[1]。此外，隨著各種大型生產(chǎn)設(shè)備在工作面的投入使用，巷道掘進的工作量也隨之增加，相應(yīng)的支護及維護難度也在不斷加大。本文著重對大斷面煤巷的快速掘進工藝進行優(yōu)化，并對優(yōu)化效果進行現(xiàn)場試驗。

1 工程概況

本文所研究的利民煤礦為南北走向，煤礦儲量可達111.86 Mt，目前該煤礦的生產(chǎn)能力為1.5 Mt/年。對利民煤礦的11603工作面開展具體研究，經(jīng)探測可知，11603工作面煤層的厚度為3.3~8.7 m，平均煤層厚度為7.2 m，煤層傾角范圍為3°~12°，平均傾角為6°；11603工作面的正常涌水量為5.2 m3/h，最大涌水量為95 m3/h；11603工作面瓦斯的相對涌出量為1.98 m3/t。11603工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 11603工作面頂?shù)装迩闆r

2 巷道的支護設(shè)計

經(jīng)測量，11603工作面巷道的寬度為5.6 m，高度為4.4 m，屬于大斷面巷道。為保證11603工作面巷道后續(xù)掘進效率，需對工作面進行有效支護，以保證對巷道圍巖進行良好控制[2]?；诠こ填惐确?，采用數(shù)值模擬手段對不同支護方案進行對比，最終采用錨桿+錨索聯(lián)合支護的最佳支護方案，擬采用的支護參數(shù)如表2所示。

表2 11603工作面擬采用的支護參數(shù)

2.1 錨桿直徑的確定

由于11603工作面頂板的砂質(zhì)泥巖強度較大且其巷道的斷面較大，基于工程類比法確定了巷道頂板所選型錨桿的直徑為20 mm，巷道兩幫所采用錨桿的直徑為18 mm。

2.2 錨桿長度的確定

通過對不同頂錨桿和兩幫錨桿組合下的圍巖控制效果進行對比，且根據(jù)所選型頂錨桿的直徑為20 mm，兩幫錨桿的直徑為18 mm，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，并基于FLAC3D軟件結(jié)合所測定的巷道參數(shù)建立三維模型，對上述不同支護參數(shù)下對應(yīng)底板的底鼓量、兩幫的移近量和頂板的下沉量進行對比，所得出的仿真結(jié)果如下頁圖1所示。

由圖1可知，隨著頂板錨桿長度的增加，底板的底鼓量、兩幫的移近量以及頂板的下沉量均會減小。具體分析如下：當(dāng)頂板錨桿從2 m增大至2.2 m時，兩幫移近量明顯降低，而頂板錨桿長度由2.4 m增大至2.6 m時，兩幫的移近量變化不明顯。因此，考慮到實際施工的難度和對巷道圍巖的控制效果，應(yīng)將頂板錨桿長度確定為2.4 m。

圖1 不同錨桿長度組合下巷道的變形量對比

隨著兩幫錨桿長度的增加，底鼓量、兩幫移近量以及頂板下沉量均減小。具體分析如下：幫錨桿長度由1.6 m增大至1.8 m以及從1.8 m增加至2 m對應(yīng)兩幫的移近量的變化量明顯大于從2 m增加至2.2 m時的變化量。因此，考慮到實際施工的難度和對巷道圍巖的控制效果，應(yīng)將兩幫錨桿長度確定為1.8 m。

同理，對在不同錨桿布置密度下的對應(yīng)巷道的變形以及圍巖深部和淺部的應(yīng)力集中現(xiàn)象進行對比[3]。綜合考慮實際施工難度和支護成本，最終確定錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 200 mm，選用錨索直徑為17.8 mm的鋼絞線；基于理論計算得出錨索長度的理論值為5.17 m，圓整為5.2 m；所確定錨索間距為2 400 mm，錨索排間距為4 000 mm。

3 大斷面巷道掘進施工的優(yōu)化

從理論上講，影響工作面掘進效率的因素眾多，包括巷道本身的地質(zhì)條件、所選型的掘進設(shè)備類型和配套的裝備、所設(shè)計的掘進工藝、在實際施工過程中的管理方案以及施工隊伍的素質(zhì)。在上述眾多因素中，地質(zhì)條件為不可改變因素，而在可變因素中，掘進設(shè)備及其配套設(shè)備的選型和掘進工藝的設(shè)計這兩個影響因子最大[4]。因此，通過著重對大斷面掘進設(shè)備及其配套設(shè)備和掘進工藝進行優(yōu)化，以實現(xiàn)對巷道的快速掘進。值得注意的是上述因素均是在穩(wěn)定支護的基礎(chǔ)上進行分析的。

3.1 掘進設(shè)備及其配套設(shè)備的優(yōu)化

結(jié)合11603工作面的實際情況和各種掘進設(shè)備及其配套設(shè)備的性能、成本以及安裝方式，最終為該工作面快速掘進所配置的掘進機及其配套設(shè)備的參數(shù)如表3所示。

表3 掘進機及其配套設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計

3.2 掘進工藝的優(yōu)化

根據(jù)11603工作面的實際情況，針對不同地質(zhì)條件選用不同掘進工藝，具體闡述如下：

1）針對地質(zhì)條件好的情況采用中心進刀方式開始掘進，并在四周進行刷幫操作[5]；

2）當(dāng)巷道工作面出現(xiàn)頂板破碎情況時，工作面應(yīng)該分兩次進行截割，走向如圖2所示?；谠摼蜻M工藝可進一步提升巷道掘進的安全性，同時還可以減少巷道空頂?shù)臅r間，進而提升巷道的掘進效率。

圖2 頂板破碎工況掘進工藝

3）當(dāng)在實際掘進過程中發(fā)現(xiàn)片幫現(xiàn)象時，應(yīng)該按照如圖3所示的工藝開始掘進?；谠摼蜻M工藝可縮短兩幫的暴露時間，從而提升巷道掘進的安全性，進而提升巷道的掘進效率。

圖3 片幫工況時的掘進工藝

4 結(jié)語

實現(xiàn)工作面巷道的快速掘進，可與巷道回采效率相匹配，從而達到提升煤礦整體生產(chǎn)效率的目的。在實際掘進過程中，巷道的支護質(zhì)量和對圍巖的控制效果是保證巷道快速掘進的基礎(chǔ)。此外，實際掘進施工中所選型的掘進機及其配套設(shè)備和所設(shè)計掘進工藝也會直接影響巷道的掘進效率。因此，需結(jié)合巷道實際情況，綜合考慮施工難度和支護成本確定最佳方案對巷道進行支護，并為煤巷快速掘進配置掘進設(shè)備及其配套設(shè)備，以保證掘進工藝可適用于不同工況下的掘進。