關(guān) 欣

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部）

趙莊二號(hào)井23092順槽采用綜掘機(jī)+鉆車的鉆機(jī)方式，井下巷道掘進(jìn)和支護(hù)效率均難以滿足掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的需求，因此迫切需要對(duì)井下巷道掘進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)化，提高巷道掘進(jìn)的效率和安全性。

王俊峰［1］提出了利用綜掘機(jī)替代傳統(tǒng)爆破掘進(jìn)技術(shù)，對(duì)綜掘機(jī)的應(yīng)用要點(diǎn)和新的臨時(shí)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，證實(shí)了在井下巷道掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中采用自動(dòng)化程度高的綜掘設(shè)備的可行性。朱現(xiàn)磊等［2］借助因子分析法，對(duì)不同支護(hù)措施進(jìn)行模擬，獲取了科學(xué)的支護(hù)參數(shù)，針對(duì)性地對(duì)井下支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化，顯著提升了井下巷道支護(hù)的可靠性。

為了進(jìn)一步提升趙莊二號(hào)井巷道的掘進(jìn)速度和安全性，引進(jìn)了EBZ160 型掘錨護(hù)一體機(jī)，并結(jié)合井下巷道的地質(zhì)情況，利用數(shù)值模擬仿真分析的方式對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，確定出最佳的支護(hù)方案及截割循環(huán)方案。

1 工程概況

趙莊二號(hào)井是生產(chǎn)礦井，井田范圍內(nèi)開(kāi)采3#煤層。西盤(pán)區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，煤巖體物理、力學(xué)性質(zhì)條件差，地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，尤其是頂板條件變化很大。煤層平均厚度7.2 m，直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度0～13.6 m，平均3.39 m，基本頂為粉砂巖或細(xì)砂巖，厚度0.6～23.56 m，平均5.55 m。該煤礦采用了一次采全高綜采放頂煤開(kāi)采方案。井下23092 順槽主要用于作業(yè)面提升物料運(yùn)輸、人員通行的通道，該作業(yè)面沿煤層底板掘進(jìn)，井下巷道的寬度為5.5 m，高度為3.6 m。在井下23092 順槽掘進(jìn)中采用的是傳統(tǒng)的綜掘機(jī)+鉆車鉆進(jìn)模式，整體的掘進(jìn)效率較低。

2 巷道快速掘進(jìn)方案設(shè)計(jì)

2.1 掘錨護(hù)一體機(jī)截割

由于采用手工支護(hù)，掘、支分離導(dǎo)致井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的效率較低，因此提出了引進(jìn)新的EBZ160 型掘錨護(hù)一體機(jī)。該設(shè)備集機(jī)電液于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)巷道掘進(jìn)、物料裝運(yùn)、錨護(hù)等功能，有效地解決了目前井下巷道掘進(jìn)時(shí)設(shè)備數(shù)量多、錯(cuò)機(jī)輔助時(shí)間長(zhǎng)、操作人員多、掘進(jìn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患高、經(jīng)濟(jì)性差的難題［3］。

在使用掘錨護(hù)一體機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其最小控頂距約為1 800 mm，控頂距較大，而且由于煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)破碎，在掘進(jìn)過(guò)程中雖然有臨時(shí)前探梁支護(hù)，但依然存在明顯的漏頂情況，對(duì)巷道掘進(jìn)效率和安全均產(chǎn)生了一定的影響，因此結(jié)合井下掘進(jìn)情況，對(duì)巷道割煤、支護(hù)工序及掘錨機(jī)截割循環(huán)方式等進(jìn)行了優(yōu)化。在支護(hù)錨桿的時(shí)候在煤壁的中間位置插入截割滾筒進(jìn)行割煤作業(yè)，從而有效降低截割作業(yè)時(shí)的空頂距離，避免出現(xiàn)頂板的漏頂情況。優(yōu)化后的掘錨機(jī)截割循環(huán)方案如圖1所示。

2.2 掘錨機(jī)支護(hù)方案

根據(jù)對(duì)EBZ160 型掘錨護(hù)一體機(jī)技術(shù)參數(shù)的分析，其工作時(shí)的固定進(jìn)尺為1 000 mm，掘錨機(jī)上的錨桿設(shè)備所能提供的頂、幫錨桿機(jī)的間距是1 300 mm，而井下順槽間錨桿支護(hù)時(shí)的排距為1 000 mm。因此在利用掘錨護(hù)一體機(jī)進(jìn)行巷道頂板、幫部支護(hù)時(shí)無(wú)法一次完成一排。

為了保證在支護(hù)時(shí)巷道頂錨桿和幫錨桿能達(dá)成一排，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)需要連續(xù)2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，而且在進(jìn)尺過(guò)程中不能進(jìn)行幫錨桿支護(hù)。在此工況下頂錨桿是超前于幫錨桿約2 000 mm，需要將機(jī)組后退約600 mm，然后開(kāi)始設(shè)置幫錨桿，保證頂錨桿和幫錨桿在同一排；或者在進(jìn)行2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后不退機(jī)組［4］，雖然頂錨桿和幫錨桿不在同一排，但無(wú)需退機(jī)，更加節(jié)約時(shí)間。

結(jié)合井下順槽的實(shí)際情況，首次提出利用FLAC3D仿真分析軟件對(duì)頂錨桿支護(hù)和幫錨桿支護(hù)對(duì)齊以及頂錨桿超前幫錨桿400 mm 2 種狀態(tài)下的巷道支護(hù)應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。為了保證分析的可靠性，此情況下的各巖層仿真分析參數(shù)均和實(shí)際狀態(tài)保持一致，巷道上覆巖的有效載荷為8 MPa，各個(gè)仿真參數(shù)匯總?cè)绫? 所示。兩種方案下的仿真分析結(jié)果如圖2所示。

由仿真分析結(jié)果可知，頂錨桿、幫錨桿齊平時(shí)的最大應(yīng)力約為0.035 157 MPa，當(dāng)頂錨桿超前幫錨桿400 mm 時(shí)，其所受的最大應(yīng)力約為0.035 MPa。深入分析后發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)頂錨桿和幫錨對(duì)齊時(shí)，二者所受的壓應(yīng)力都集中在一個(gè)平面上，應(yīng)力相互疊加，進(jìn)而產(chǎn)生的主應(yīng)力較大。

綜合分析后可知，2 種方式下的最大應(yīng)力場(chǎng)分布基本一致，而采用2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后，不退機(jī)組的方案能夠一次節(jié)省約10 min，掘進(jìn)效率更高。此時(shí)雖然頂錨桿和幫錨桿不齊平，但由于在支護(hù)過(guò)程中頂錨桿支護(hù)完成后是緊接著幫部進(jìn)行巷道支護(hù)，因此也能保證不發(fā)生片幫的冒頂現(xiàn)象。

3 巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化

3.1 支護(hù)方式分析

由于井下順槽處的煤層破碎度較高，而且比較松軟，為了提高穩(wěn)定性，需要較大的支護(hù)阻力。對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合井下實(shí)際施工條件，確定采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。為了保證支護(hù)的穩(wěn)定性，引入了FLAC3D數(shù)值模擬仿真分析軟件［5］，對(duì)不同錨桿預(yù)應(yīng)力、錨桿錨固方式及鋼帶情況下的支護(hù)效果進(jìn)行分析，從而科學(xué)、合理地確定在進(jìn)行支護(hù)時(shí)的最佳工藝參數(shù)。

（1）錨桿預(yù)應(yīng)力分析。錨桿的預(yù)應(yīng)力不足會(huì)導(dǎo)致錨桿四周的巖體中產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)域不足，錨桿之間的預(yù)應(yīng)力難以形成穩(wěn)固的支護(hù)整體，因此錨桿只有在足夠的預(yù)應(yīng)力作用下才能保證支護(hù)區(qū)域內(nèi)支護(hù)效果的穩(wěn)定性。結(jié)合長(zhǎng)期支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及理論分析，將錨桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)設(shè)置為錨桿屈服強(qiáng)度的40%～50%。

（2）錨固方式選擇。目前常用的錨桿方式主要包括端部錨固、加長(zhǎng)錨固及全長(zhǎng)錨固3 種［6］，對(duì)不同錨固方式下巖壁的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行研究（圖3）。結(jié)果表明，當(dāng)使用端部錨固方案時(shí)，在錨固位置和托盤(pán)位置的預(yù)應(yīng)力作用范圍均較大，但在錨桿中間位置壓應(yīng)力的擴(kuò)散范圍不足。使用加長(zhǎng)錨固方案時(shí)，沿整個(gè)錨桿方向上的壓應(yīng)力分布比較均勻，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍也較??；使用全長(zhǎng)錨固方案時(shí)，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散區(qū)域最小，而且在巖壁內(nèi)會(huì)形成一個(gè)類似“Y”型的壓應(yīng)力分布區(qū)域，提高巖壁的穩(wěn)定性。因此在進(jìn)行支護(hù)時(shí)優(yōu)先選擇全長(zhǎng)錨固方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板巖層的穩(wěn)定控制。

（3）鋼帶作業(yè)分析。在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，鋼帶是否必須使用，目前并沒(méi)有一個(gè)直觀、科學(xué)的分析。因此文章對(duì)使用鋼帶和不使用鋼帶情況下的巷道應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用無(wú)鋼帶支護(hù)方案時(shí)，在錨桿中部和錨桿尾部會(huì)產(chǎn)生相互獨(dú)立的壓應(yīng)力區(qū)域，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的有效范圍較?。徊捎糜袖搸еёo(hù)方案時(shí)，所產(chǎn)生的壓應(yīng)力范圍相互疊加，不同錨桿之間的壓應(yīng)力影響區(qū)域相互連接，從而形成了一個(gè)完整的壓應(yīng)力影響區(qū)域。因此采用鋼帶后能夠提高錨桿的壓應(yīng)力影響范圍，改善錨桿的支護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變化的主動(dòng)控制。

3.2 支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)模擬仿真分析結(jié)果，結(jié)合井下的實(shí)際地質(zhì)情況，確定了高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案。

（1）巷道頂板支護(hù)。頂板支護(hù)時(shí)所使用的錨桿規(guī)格為直徑20 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，錨桿之間的排距設(shè)置為1 m，在巷道中間位置的2 個(gè)錨桿之間的距離設(shè)置為1.1 m，其他的錨桿間距都設(shè)置成0.95 m。錨桿垂直于巷道布置，預(yù)緊扭矩為400 N·m。錨索為直徑17.8 mm、長(zhǎng)度6.3 m 的7 股高強(qiáng)度鋼絞線，間距和排距都設(shè)置為2 m，錨索垂直于頂板布置，預(yù)緊力為150 kN。在巷道頂板位置設(shè)有直徑是6 mm 的鋼筋編制成的護(hù)網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，同時(shí)利用尺寸為450 mm×280 mm×4 mm的W型鋼帶，提高錨桿固定的穩(wěn)定性。

（2）巷道兩幫支護(hù)。所使用錨桿的規(guī)格和巷道頂板支護(hù)時(shí)的一致，可以有效減少井下物料類型，提高通用化程度。在兩幫處錨桿的間距和排距均設(shè)置為1 000 mm，垂直于巷道幫部布置，預(yù)緊時(shí)的扭矩設(shè)置為400 N·m。利用菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫，網(wǎng)片網(wǎng)孔規(guī)格為60 mm×60 mm，在幫部同樣需要設(shè)置W 型鋼帶加強(qiáng)。

井下巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 井下應(yīng)用情況分析

應(yīng)用新的巷道快速掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)后，井下巷道每天的進(jìn)尺由最初的14 m/d，提升到20 m/d，巷道掘進(jìn)效率提升了42.8%。掘進(jìn)過(guò)程中完成一次循環(huán)作業(yè)的時(shí)間約為50 min，比優(yōu)化前降低了約30 min，循環(huán)作業(yè)時(shí)間比改善前降低了37.5%，有效地提升了巷道的掘進(jìn)效率。

在掘進(jìn)過(guò)程中，在掘進(jìn)面10、15、25 m 的位置設(shè)置了位移監(jiān)測(cè)傳感器，優(yōu)化后巷道頂?shù)装遄冃瘟咳鐖D5（a）所示，巷道兩幫變形量如圖5（b）所示。

由實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，優(yōu)化后巷道頂板和底板的位移量約為107.9 mm，比優(yōu)化前降低了88.3%，巷道兩幫移近量約為68 mm，比優(yōu)化強(qiáng)降低了74.7%，提升了井下巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的安全性。

5 結(jié)論

（1）EBZ160型掘錨護(hù)一體機(jī)集機(jī)電液于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)巷道掘進(jìn)、物料裝運(yùn)、錨護(hù)等功能，解決了巷道掘進(jìn)時(shí)設(shè)備數(shù)量多、掘進(jìn)效率低的難題。

（2）FLAC3D仿真分析軟件能夠有效模擬不同工況下井下巷道內(nèi)的應(yīng)力變化情況，為合理制定支護(hù)工藝參數(shù)和支護(hù)方案提供技術(shù)支持。

（3）首次采用2 個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后不退機(jī)組的方案，能夠?qū)⒕孪锏纼?nèi)掘進(jìn)效率提升42.8%，巷道頂板變形量降低88.3%，巷道兩幫移近量降低74.7%。