石兵

（山西潞安化工集團(tuán)調(diào)度中心 李村煤礦，山西 長治 046600）

隨著我國煤礦開采技術(shù)的迭代更新以及采煤方法的不斷發(fā)展，與之相配套的開采設(shè)備機(jī)械化水平也在持續(xù)提升，然而巷道掘進(jìn)速度卻仍處于較低水平，直接導(dǎo)致了工作面采掘接替緊張，阻礙了礦井的發(fā)展[1]。對此，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對于快速掘巷技術(shù)開展了大量的研究，馬睿[2]提出通過增加巷道空頂距提高掘進(jìn)速度，并模擬了不同空頂距離下的巷道頂板下沉情況；李建波等[3]基于實(shí)際生產(chǎn)條件，采取增加錨桿間排距的方式減少了支護(hù)時間；韓龍[4]針對巷道快速掘進(jìn)后的空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并重點(diǎn)優(yōu)化了一次支護(hù)參數(shù)；馬利[5]以邢臺煤礦為研究背景，修正了巷道的臨時支護(hù)參數(shù)、掘進(jìn)機(jī)截割寬度、施工工藝等，提高了巷道的掘進(jìn)速度。

1 概 況

李村煤礦西翼2 號瓦斯治理巷為底板瓦斯預(yù)抽巷，是布置于3 號煤層采煤工作面底板的全巖巷道，具有巷道服務(wù)周期短、施工工程量大、掘巷難度高等特點(diǎn)；采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)、循環(huán)進(jìn)尺為1 400 mm“一掘一支”，支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時巨大、掘巷速度慢，是制約礦井采掘接續(xù)與安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。3 號煤層直接頂為黑色砂質(zhì)泥巖，基本頂為灰黑色粉砂巖；直接底板為灰色細(xì)粒砂巖，基本頂為黑色泥巖，頂?shù)装邈@孔柱狀圖如圖 1 所示。

圖1 巷道頂?shù)装邈@孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram of roadway roof and floor

2 快速掘進(jìn)制約因素

（1）作業(yè)工序。西翼2 號瓦斯治理巷施工采用“三班倒”作業(yè)模式。由于掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為1 200 mm，即“一掘一支”，非“掘、支、運(yùn)”耗時60 min，占作業(yè)總用時的25%，成巷每米耗時約為171.5 min；支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時大，增加了成巷每米耗時，影響掘巷速度。

（2）巷道支護(hù)分析。西翼2 號瓦斯治理巷采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M24，間排距1 200 mm×1 400 mm。由于西翼2 號瓦斯治理巷的服務(wù)年限較短，且斷面使用要求不高（主要用于工作面瓦斯抽放），采用過度支護(hù)會造成支護(hù)成本上升并影響掘進(jìn)速度。巖性穩(wěn)定時可在保證安全的前提下適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度，減少永久支護(hù)耗時，提高掘進(jìn)效率。

3 大循環(huán)步距快速掘巷機(jī)理

3.1 空頂區(qū)頂板結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型

巷道在開挖后，圍巖固有狀態(tài)被打破，上覆巖層重量直接作用在頂板上。因此，在巷道開挖后需要及時支護(hù)，以保證巷道頂板穩(wěn)定性。然而，在巷道開挖后、支護(hù)前的一段時間內(nèi)，巷道前方處于空頂區(qū)，頂板尚未進(jìn)行支護(hù)，很容易在上覆巖層作用下發(fā)生變形、冒落破壞，因此空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性至關(guān)重要[6]。

為方便后續(xù)理論計算，將拱形巷道簡化為矩形巷道進(jìn)行分析求解。煤層上方存在0.9 m 相對較薄的泥巖，因此可以將頂板簡化為矩形薄板力學(xué)模型。巷道寬度為a，工作面前方未支護(hù)長度為b，頂板厚度h，如圖2 所示。

圖2 巷道空頂區(qū)力學(xué)模型示意Fig.2 Mechanical model of roadway empty roof area

根據(jù)薄板理論，假設(shè)頂板上方存在勻布荷載q，在勻布荷載q 的作用下，薄板內(nèi)部應(yīng)力見式（1）。

理想情況下巷道空頂距見式（2）。

式中：b 為空頂距，m；a 為巷道寬度，m；h 為頂板下位巖層厚度，m；q 為上覆巖層重量，MPa；σt為極限抗拉強(qiáng)度，MPa。

實(shí)際施工時，考慮到兩幫煤壁可能發(fā)生變形、施工存在一定誤差、空頂區(qū)工人安全等因素，需要增加一個安全系數(shù)，因此實(shí)際最大空頂距見式（3）。

式中：B 為實(shí)際最大空頂距，m；k 為安全系數(shù)，取1.4。

根據(jù)西翼2 號瓦斯治理巷頂板巖性分析，關(guān)鍵層主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，頂板承受載荷主要以巖層自重為主，因此上覆巖層載荷如下：

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)求得σt=1.74 MPa，將其帶入公式（2）求得理想狀態(tài)下的空頂距，帶入公式（3）求得最大空頂距約為3 m。

3.2 循環(huán)步距對巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律

基于現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型，模型尺寸長×寬×高=40 m×50 m×40 m，固定模型底面，限制模型4 個側(cè)面的水平運(yùn)動，設(shè)置上覆巖層自重為10 MPa，模擬側(cè)壓系數(shù)1.0，采用彈塑性材料，具體數(shù)值計算模型如圖3 所示。固定巷道尺寸不變，分別建立循環(huán)步距為1.4、2.8、4.2 m 共計3 個尺寸的數(shù)值模擬方案。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2.1 循環(huán)步距對圍巖應(yīng)力的影響

沿掘進(jìn)巷道中軸線做豎直剖面，不同循環(huán)步距下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況如圖4 所示。

圖4 循環(huán)步距對圍巖垂直應(yīng)力分布特征的影響Fig.4 Effect of cyclic step on vertical stress distribution characteristics of surrounding rock

巷道掘進(jìn)后頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著循環(huán)步距的增加頂板垂直應(yīng)力不斷增大。循環(huán)步距為1.4 m 時，頂板上方圍巖僅在巷道表面出現(xiàn)應(yīng)力集中；步距為2.8 m 時，頂板上方深部圍巖開始出現(xiàn)整體應(yīng)力集中傾向，但并不明顯；步距為4.2 m 時，頂板上方垂直應(yīng)力集中明顯，達(dá)到17～18 MPa，威脅到巷道安全。

3.2.2 循環(huán)步距對塑性區(qū)范圍的影響

沿掘進(jìn)巷道中軸線做豎直剖面，不同循環(huán)步距下巷道圍巖塑性區(qū)范圍如圖5 所示。

圖5 循環(huán)步距對巷道圍巖塑性區(qū)的影響Fig.5 Effect of cyclic step on plastic zone of roadway surrounding rock

由圖5 可知，不同循環(huán)步距對工作面前方和巷道底板塑性區(qū)幾乎無影響，對巷道頂板影響較大。隨著循環(huán)步距的增加，巷道前方和底板破壞形式變化不大，頂板由剪切破壞逐漸向拉伸破壞發(fā)展，且拐點(diǎn)出現(xiàn)在2.8 m，拐點(diǎn)之前塑性區(qū)發(fā)展緩慢，拐點(diǎn)之后塑性區(qū)發(fā)展速度大幅增加。

3.3 大循環(huán)步距快速掘巷效果

合理的循環(huán)進(jìn)尺能有效減少支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時，理論分析西翼2 號瓦斯治理巷在巷道開挖后、支護(hù)前一段時間內(nèi)最大空頂距，模擬了不同循環(huán)步距對巷道穩(wěn)定性的影響，綜合分析可得西翼2 號瓦斯治理巷掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺方面仍有加大空間，而循環(huán)步距和掘進(jìn)速度的關(guān)系見表1。

表1 不同循環(huán)步距下掘進(jìn)速度對比關(guān)系Table 1 The comparative relationship of excavation speed under different cycle steps

由表1 可得，加大循環(huán)步距能夠減小成巷每米耗時與非“掘、支、運(yùn)”耗時占比，減少支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時、提高巷道掘進(jìn)速度；但在支護(hù)與支護(hù)準(zhǔn)備等工序中仍有壓縮用時、提速空間。

4 合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)快速掘巷

4.1 支護(hù)參數(shù)合理優(yōu)化

（1）原支護(hù)方案。巷道采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用桿體為φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M24，排距為1 200 mm，每支錨桿搭配150 mm×150 mm×12 mm 拱形托盤，使用MSCKb2335、MSZ2360 錨固劑各1 支，錨固力不小于190 kN，預(yù)緊力矩為400 N·m。錨索直徑22 mm，1×19 股高強(qiáng)度松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度6 300 mm，每根錨索使用3支MSZ2360 樹脂錨固劑。

（2）支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及其支護(hù)效果。對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，保留錨桿自身材質(zhì)參數(shù)不變，錨桿排距由原來的1.2 m 增加至1.4 m，一排布置9根錨桿。頂部錨索按照“2-1-2”布置，錨索2 根時，間距2 400 mm，錨索1 根時，居中打設(shè)。巷道支護(hù)設(shè)計如圖6 所示。

圖6 巷道支護(hù)設(shè)計Fig.6 Roadway support design

在巷道頂?shù)装逯胁亢蛢蓭椭胁坎贾脺y站。巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖位移監(jiān)測Fig.7 Displacement monitoring of roadway surrounding rock

可知，巷道表面位移在開挖前5 d 快速增長，頂板變形量最大達(dá)到12.8 mm/d，兩幫移進(jìn)量最大達(dá)到16.9 mm/d。在5～20 d，巷道變形量持續(xù)穩(wěn)定低速增長。20 d 后巷道達(dá)到穩(wěn)定，變形量幾乎不再變化，最終頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在48 mm，兩幫移進(jìn)量穩(wěn)定在67 mm，均在安全范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定性好，完全滿足巷道使用要求。

4.2 合理弱化支護(hù)參數(shù)快速掘巷效果

前文根據(jù)巷道服務(wù)年限合理降低支護(hù)強(qiáng)度，不同支護(hù)方案掘進(jìn)速度見表2。

表2 不同支護(hù)方案下掘進(jìn)速度對比關(guān)系Table 2 Comparative relationship of excavation speed under different supporting schemes

從表2 可以看出，合理弱化支護(hù)參數(shù)后，支護(hù)準(zhǔn)備與永久支護(hù)等工序中單位時間內(nèi)能完成更多循環(huán)進(jìn)尺，進(jìn)一步降低了成巷每米耗時，提高了掘進(jìn)速度，采用大循環(huán)步距并合理弱化支護(hù)的快速掘進(jìn)技術(shù)，相較于原有掘進(jìn)技術(shù)速度提升約36.5%。

5 結(jié) 論

（1）分別從生產(chǎn)裝備、作業(yè)工序、巷道支護(hù)等方面分析了西翼2 號瓦斯治理巷掘進(jìn)過程中影響掘進(jìn)速度的關(guān)鍵制約因素：①合理的循環(huán)進(jìn)尺能有效地減少支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時；②根據(jù)巷道服務(wù)年限降低支護(hù)強(qiáng)度，能夠減少永久支護(hù)耗時，提高掘進(jìn)效率。

（2）建立了頂板力學(xué)模型，計算出西翼2 號瓦斯治理巷最大空頂距約為3 m；結(jié)合數(shù)值模擬研究了不同循環(huán)步距下的巷道圍巖穩(wěn)定性特征，結(jié)果表明，循環(huán)步距為2.8 m 時能夠滿足巷道安全性，有效減少支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)及工序間銜接耗時。

（3）合理優(yōu)化了巷道原有支護(hù)參數(shù)，錨桿排距由1.2 m 增加到1.4 m，在滿足巷道斷面使用要求同時，減少永久支護(hù)耗時，將巷道掘進(jìn)速度提升36.5%。