張 斌

（山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

煤礦生產(chǎn)能力與巷道掘進速度、巷道的成型質(zhì)量、采煤工藝及所配套綜采設(shè)備效率相關(guān)。目前，煤礦生產(chǎn)中巷道的掘進效率與采煤效率不匹配是導(dǎo)致巷道生產(chǎn)能力得不到質(zhì)的提升的主要因素。受掘進機械設(shè)備的配套不合理、掘進工藝的設(shè)計不合理以及支護效果較差等因素，巷道掘進效率和最終成型質(zhì)量并不能夠?qū)笃诿旱V生產(chǎn)能力的提升起到促進作用[1]。本文將結(jié)合實踐生產(chǎn)對巷道掘進工作面的支護方式進行優(yōu)化，并為其配置合理、高效的快速掘進設(shè)備以保證巷道的快速掘進和最終巷道的成型質(zhì)量。

1 3 號煤層工作面概況

本文以3 號煤層所屬工作面巷道的掘進為例開展研究。經(jīng)探測，該工作面的平均傾角為5°，所蘊藏煤層的平均厚度為7.63 m，整個工作面的含煤比例為6.68%。本工作面巖層的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 3 號煤層所屬工作面關(guān)鍵參數(shù)

3 號煤層所屬工作面的含水層主要為含裂隙含水層和石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。經(jīng)預(yù)測可知，該工作面的最大涌水量為0.5 m3/h。結(jié)合工作面的實際情況，該煤礦采用立井開拓的方式進行開采，并設(shè)置有主井、副井和回井三個立井[2]。目前，該工作面巷道主要采用爆破掘進方式進行掘進，并采用手持風(fēng)動鑿巖機進行打眼。從整體上講，目前該工作面巷道掘進主要表現(xiàn)為勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差、安全系數(shù)低等問題。而且，隨著巷道的不斷延伸直接影響整個工作面排渣、倒矸的能力。

3 號工作面掘進目前采用錨桿支護方式進行支護。其中，頂板錨桿采用直徑為22 mm、長度為2 200 mm 的高強應(yīng)力扭矩錨桿進行支護，錨桿的間距為800 mm、排距為700 mm；兩幫采用直徑為20 mm、長度為2 000 mm 的右旋全螺紋鋼錨桿進行支護，幫錨桿的間距和排距均為700 mm。對于當(dāng)前的支護參數(shù)而言，由于錨桿支護密度較大且頂部和兩幫錨桿的規(guī)格型號不一致導(dǎo)致支護實施的效率較低，工人的勞動強度較大，其成為實現(xiàn)快速掘進的主要制約因素。

綜上，為實現(xiàn)該工作面的快速掘進任務(wù)，本文將通過對其支護方式進行優(yōu)化，并為其配套高效的機械設(shè)備以保證巷道的快速、安全掘進，并保證最終巷道成型質(zhì)量滿足實際生產(chǎn)需求。

2 硬巖巷快速掘進支護優(yōu)化

硬巖巷道在掘進過程中，受到開挖的影響，由于其圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，巷道圍巖為達到一個新的平衡，頂板和兩幫巷道會出現(xiàn)一定的變形。當(dāng)變形處于不可控制范圍內(nèi)時，極易導(dǎo)致事故的發(fā)生，嚴重影響巷道的掘進任務(wù)。同時，實現(xiàn)對掘進巷道的合理化布置也可保證支護實施效率，為間接提高巷道掘進效率奠定基礎(chǔ)。因此，本節(jié)將本著巷道圍巖變形控制在合理范圍并保證快速掘進任務(wù)兩方面對支護進行優(yōu)化。

2.1 支護方案的提出

經(jīng)分析，3 號煤層所屬工作面頂?shù)装鍑鷰r條件比較穩(wěn)定且對應(yīng)的巖層平均硬度為5。因此，本節(jié)將采用懸吊理論對錨桿支護參數(shù)進行合理化計算。

經(jīng)計算可得：適用于3 號煤層工作面巷道支護的錨桿長度為2 200 mm，錨桿直徑為22 mm，錨桿預(yù)緊力為60 kN；錨索直徑為17.89 mm，長度為6 000 mm。

為解決原支護方式下作業(yè)強度較大且效率低的問題，本文將采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式對巷道進行支護，并重點對錨桿間距和排間距進行優(yōu)化，對應(yīng)的三種支護方案如下：

方案一：頂錨桿間距為1 100 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 000 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

方案二：頂錨桿間距為1 100 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 400 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

方案三：頂錨桿間距為1 400 mm，排距為800 mm；兩幫錨桿的間距為1 000 mm，排距為800 mm；錨索間距為2 600 mm，錨索排距為2 400 mm。

2.2 優(yōu)化支護方案的確定

為最終確定適用于3 號煤層工作面巷道掘進的最終支護方案，本節(jié)將基于FLAC3D 軟件對不同支護方案對應(yīng)的支護效果進行對比。根據(jù)3 號煤層工作面的地質(zhì)條件和巖層的相關(guān)屬性建立如圖1 所示的模型。

圖1 數(shù)值模擬模型

如圖1 所示，所建立的數(shù)值模擬模型的高度為36 m，寬度為36 m，深度為40 m。根據(jù)地質(zhì)條件的應(yīng)力參數(shù)對模型進行設(shè)置，而后對不同支護方案下對應(yīng)頂板、兩幫的應(yīng)力進行仿真分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同支護方案對應(yīng)的支護效果對比 MPa

如表2 所示，方案一對應(yīng)3 號煤層工作面巷道支護后頂板和兩幫豎直集中應(yīng)力的最大值均最小。因此，本工程選用方案一對掘進巷道進行支護。

3 快速掘進機械配套研究

影響巷道快速掘進的因素眾多，包括設(shè)備問題、工藝問題、管理問題和自然條件。本小節(jié)針對設(shè)備問題對3 號煤層快速掘進設(shè)備的機械配套進行研究。

該工作面巷道主要采用爆破掘進方式進行掘進，并采用手持風(fēng)動鑿巖機進行打眼。為解決其效率低的問題，本工程將采用CMJ17HT 型的掘進鉆車進行打眼，以提高打眼效率，同時降低工作人員勞動強度。

為提升巷道的排矸、裝巖速度和效率，本文工程將采用履帶式液壓挖斗裝載機替代耙矸機對巷道巖石進行清理，從而提高整個工作面的裝巖速度；同時，為提升排矸速度，本工程將采用梭車與皮帶轉(zhuǎn)運機相結(jié)合的方式對巖石進行裝載、運行。整個掘進工作面所配套機械的作業(yè)如圖2 所示。

圖2 掘進工作面機械配套作業(yè)

4 結(jié)語

實現(xiàn)工作面的快速掘進，使其能夠與煤層的高效、安全開采相匹配是提高煤礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。針對影響硬巖巷道快速掘進的問題，本文主要對巷道支護方式進行優(yōu)化，從而在保證巷道安全生產(chǎn)的同時提高作業(yè)效率，降低工作人員勞動強度；對掘進巷道配套機械設(shè)備進行匹配性選擇，從而達到提升巷道掘進效率的目的。通過上述兩項措施，最終實現(xiàn)對煤礦巷道快速掘進。