王 強(qiáng)

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 太原 030053）

引言

井下巷道是井下開采的生命線，擔(dān)負(fù)著煤礦的井下運(yùn)輸、行人和通風(fēng)等重要任務(wù)，巷道不通則采煤工作無法正常進(jìn)行[1]。隨著綜采機(jī)械化的快速發(fā)展及應(yīng)用，工作面的掘進(jìn)進(jìn)尺和效率也大幅增加，我國礦井采煤工作面年推進(jìn)長度已經(jīng)超過了3 000 m，推進(jìn)速度在不斷增大，煤層巷道掘進(jìn)準(zhǔn)備時間更短。因此，巷道的快速掘進(jìn)是礦井實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的重要保障。隨著綜采自動化水平和技術(shù)的進(jìn)步，我國的綜采速度和效率顯著提升。對于煤礦生產(chǎn)而言，除了關(guān)鍵的煤層開采外還包括有煤礦建設(shè)、回采巷道的掘進(jìn)任務(wù)，而煤礦建設(shè)和回采巷道的掘進(jìn)速度無法與綜采速度相匹配[2-3]。尤其是對于巖巷，由于巖層硬度較大、掘進(jìn)設(shè)備自動化水平低以及技術(shù)落后等原因掘進(jìn)效率遠(yuǎn)滯后于煤層的開采效率。因此，通過對掘進(jìn)設(shè)備及技術(shù)的改進(jìn)，應(yīng)配套合理有效的支護(hù)方案提升巷道的掘進(jìn)效率和最終的巷道成型質(zhì)量[4-5]。本文重點(diǎn)開展半煤巖巷道的快速掘進(jìn)技術(shù)研究，并為其匹配最佳的支護(hù)方案。半煤巖巷道與常規(guī)巖巷和煤巷有本質(zhì)的區(qū)別，該類型巷道在掘進(jìn)時為保證巷道的高度需要對煤層或者巖層額外掘進(jìn)一部分才能夠滿足要求。針對半煤巖巷道可采用挑頂和臥底兩種掘進(jìn)方式實現(xiàn)對巷道的掘進(jìn)，具體掘進(jìn)方式需結(jié)合礦井的實際情況綜合確定。

1 礦井概況

屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km，井田面積73.3 km2，可采儲量6.28 億t，設(shè)計年生產(chǎn)能力500 萬t。18405 工作面位于該礦南五盤區(qū)，主要開采太原組8#煤層，煤層厚度1.6 m～3.9 m，平均厚度2.53 m。煤巖層平均總厚度2.74 m，煤質(zhì)為焦煤和瘦煤。18405 膠運(yùn)巷的掘進(jìn)為例開展研究，該巷道傾角范圍為0°～3°，該巷道掘進(jìn)完成后為綜采工作面，該工作面的煤層平均厚度為1.35 m，屬于薄煤層；煤層的平均硬度為3.5。經(jīng)探測，該工作面瓦斯的相對涌出量為0.12 m3/t，絕對涌出量為1.85 m3/min。18405 工作面煤層的頂?shù)装迩闆r，如表1 所示。

表1 18405 工作面巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)圖

煤層和巖層的性質(zhì)是影響半煤巖巷道掘進(jìn)方式的主要因素。為保證巷道的掘進(jìn)效率，在實際掘進(jìn)任務(wù)時應(yīng)盡可能地避免與相對較硬或者相對較軟的巖層或煤層相接觸。對于巷道的圍巖性質(zhì)而言，一般通過巖層的單軸抗壓強(qiáng)度、節(jié)理間距、巖芯質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理條件以及地下水條件綜合分析，最終通過RMR 值對巖層的性質(zhì)進(jìn)行反映。通過勘測，18405 工作面基本頂細(xì)粒砂巖對應(yīng)的RMR 值為40；煤層的RMR 值為27；底板粉砂巖的RMR 值為42。經(jīng)分析可知，18405 工作面頂板細(xì)粒砂巖和底板粉砂巖的RMR 值為煤層RMR 值的1.5 倍，說明18405 工作面的頂?shù)装鍡l件良好且簡單，具備實現(xiàn)快速掘進(jìn)的條件。

2 半煤巖巷道掘進(jìn)方式的確定

對于具備快速掘進(jìn)條件的半煤巖巷道，巷道的層位選擇尤為重要，巷道層位形式的確定需遵循如下原則：所確定巷道的層位形式需綜合考慮工作面綜合機(jī)械化開采的要求；所確定巷道的層位形式需兼顧后期巷道的支護(hù)形式，保證其符合快速掘進(jìn)的要求；所確定巷道的層位形式能夠保證巷道一次完成成型和支護(hù)。

半煤巖巷道可采用的掘進(jìn)方式包括有挑頂巷道掘進(jìn)、臥底巷道掘進(jìn)以及挑頂兼臥底巷道的掘進(jìn)方式。為保證掘進(jìn)速度及效率最佳，本節(jié)將基于FLAC3D軟件對不同掘進(jìn)方式下的巷道的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。根據(jù)18405 工作面的頂?shù)装迩闆r建立仿真模型，模型中從上到下分別為細(xì)粒砂巖、煤層和粉砂巖。根據(jù)實際勘測的巖層和煤層參數(shù)對模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完畢后，對不同層位形式下巷道開采后的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真分析，最終選擇應(yīng)力最小層位進(jìn)行開采。不同層位巷道開采時的應(yīng)力仿真結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 不同層位巷道開采時的應(yīng)力云圖

如圖1 所示，圖1-1 中巷道上方兩個角落處應(yīng)力數(shù)值較大且為應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在下方兩個角落處的應(yīng)力較小并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖1-2 中巷道上方兩個角落處應(yīng)力數(shù)值較小并未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在下方兩個角落處的應(yīng)力較大且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖1-3 中巷道上下兩放四個角落的應(yīng)力值均較大且均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，采用挑頂層位巷道開采時僅需對巷道頂板兩個角落處進(jìn)行支護(hù)；采用臥底層位巷道開采時僅需對巷道底板兩個角落處進(jìn)行支護(hù)；采用挑頂兼臥底層位巷道開采時需對巷道四個角落及巷道進(jìn)行支護(hù)。綜合考慮快速支護(hù)的條件和快速掘進(jìn)的要求，頂板支護(hù)技術(shù)更加成熟且便于實施，本工程將采用挑頂層位的方式對巷道布置。

3 半煤巖巷道掘進(jìn)方案及支護(hù)設(shè)計

針對半煤巖巷道可選擇采用掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)的現(xiàn)代化機(jī)械掘進(jìn)方案，還可以采用以傳統(tǒng)鉆眼爆破的掘進(jìn)方式。為提升巷道的掘進(jìn)效率和安全性，實現(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)，以掘進(jìn)機(jī)為主的巷道掘進(jìn)方式與鉆眼爆破掘進(jìn)方式相比具有效率高、人員強(qiáng)度低以及安全性高的優(yōu)勢，本工程采用以掘進(jìn)機(jī)為主的巷道掘進(jìn)方式。結(jié)合對當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)性能的研究，選用EBZ-260H掘進(jìn)機(jī)對巷道進(jìn)行掘進(jìn)，同時采用型號為CMM2-21的液壓錨桿鉆車對巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)。為保證巷道的掘進(jìn)效率，本工程采用“三八”制的工作制度，其中兩班為掘進(jìn)任務(wù)，另外一班為檢修任務(wù)。針對半煤巖巷道頂板，本工程采用常規(guī)的錨桿與錨索聯(lián)合手段進(jìn)行支護(hù)，所選型錨桿的長度為1 800 mm，直徑為18 mm，錨桿間排距離為1 000 mm，錨桿間距為800 mm；對應(yīng)錨索直徑為15.24 mm，錨索長度為7 300 mm，每平方米布置錨索的數(shù)量為4 根。半煤巖巷道斷面支護(hù)示意圖如圖2 所示。經(jīng)實踐表明，18405 巷道采用以EBZ-260H 掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)方案掘進(jìn)時，每月巷道的掘進(jìn)量為362.5 m；而采用傳統(tǒng)掘進(jìn)方式每月巷道的掘進(jìn)量僅為136 m。

4 結(jié)論

巷道掘進(jìn)效率與工作面采煤效率不匹配嚴(yán)重制約礦井的安全高效開采。為此，實現(xiàn)煤礦巷道的快速掘進(jìn)尤為重要。針對18405 巷道為例采用挑頂層位的方式對巷道進(jìn)行布置，并采用以EBZ-260H 掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)方式對巷道進(jìn)行掘進(jìn)。與此同時，為保證巷道掘進(jìn)的安全性重點(diǎn)對巷道頂板采用錨桿錨索聯(lián)合方式進(jìn)行支護(hù)。實踐表明，18405 巷道的掘進(jìn)效率為普通掘進(jìn)方式的三倍，實現(xiàn)半煤巖巷的的快速掘進(jìn)。