李小沫，武 超，王兆瑞，王 鳳

(1.內(nèi)蒙古開灤投資有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.北京市化工職業(yè)病防治院，北京 100093)

隨著我國煤礦開采的綜合機(jī)械化程度不斷提高，采掘失衡的矛盾日益突出，我國的煤礦開采產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高效采掘階段。巷道掘進(jìn)作為煤礦開采中重要的一環(huán)，其掘進(jìn)的效率快慢直接影響整個開采產(chǎn)業(yè)的整體效率。煤巖巷道掘進(jìn)是一個復(fù)雜的多工序交替的施工工藝，巷道掘進(jìn)的速度不僅受掘進(jìn)設(shè)備的現(xiàn)代化程度影響，而且與各生產(chǎn)工序間相互協(xié)調(diào)緊密度有著很大影響。為了實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，國內(nèi)外學(xué)者從掘進(jìn)技術(shù)、施工工藝、設(shè)備及圍巖控制方面進(jìn)行了大量研究[1-5]。目前，掘進(jìn)綜合機(jī)械化已是成熟的技術(shù)，并向智能化方向發(fā)展。微處理器、計算機(jī)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用，以及巖層控制理論和技術(shù)的完善，進(jìn)一步提高了作業(yè)安全性和生產(chǎn)效率[6-12]。

綜上所述，我國的煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，快速掘進(jìn)技術(shù)與設(shè)備研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，且存在一定范圍的工程實(shí)踐。但綜合看來，應(yīng)當(dāng)依據(jù)煤礦實(shí)際情況，提出相應(yīng)的快速掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，建立符合實(shí)際煤礦工作面的快速掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)體系。同時發(fā)現(xiàn)對于對空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性規(guī)律及失穩(wěn)機(jī)理的研究較少。因此，本研究針對開灤集團(tuán)東歡坨煤礦工作面復(fù)雜的回采地質(zhì)條件、工作面推進(jìn)距離長、巷道斷面大等實(shí)際情況，分析掘巷迎頭頂板空頂區(qū)穩(wěn)定性及其對設(shè)備、工藝、支護(hù)等的影響，并提出合理的空頂距離、配套設(shè)備及工藝流程，預(yù)期研究成果為類似條件礦井提供一定的借鑒。

1 工程概況

東歡坨煤礦現(xiàn)采煤層自上而下依次為8煤、9煤、11煤以及12-2煤層，8煤已近采完，主采9煤，目前，正在為3098里工作面布置回采巷道，該工作面東側(cè)為同煤層3094采空區(qū)及其里運(yùn)道老巷，西側(cè)9煤層無采掘工程，上方為8煤層3086、3088采空區(qū)，下方無采掘工程。3098里掘進(jìn)工作面9煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，9煤層厚度1.2～4.8 m，平均煤厚2.8 m，平均埋深710 m，煤層傾角2°～25°，平均18°。3098里工作面頂?shù)装鍘r度分布如圖1所示。在-690水平巖層最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力，最大水平應(yīng)力與3098里掘進(jìn)工作面近似垂直，平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值在0.71～0.74，最小水平主應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力的比值為0.68～0.70。

圖1 3098里工作面頂?shù)装鍘r層分布

掘進(jìn)巷道總工程量3384 m，其中3098里運(yùn)道設(shè)計長度1052 m，3098里風(fēng)道設(shè)計長度981 m，采用29U14m2金屬拱形支架支護(hù)，棚距850 mm。巷道規(guī)格為5.4 m(寬)×3.6 m(高)，3098里運(yùn)道、風(fēng)道架棚支護(hù)斷面布置如圖2所示。綜上分析，東歡坨煤礦掘進(jìn)工作面已普遍具有深埋、高地應(yīng)力、上覆采空區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件，且具有掘進(jìn)工程量大、巷道斷面大、近距離工作面回采等特點(diǎn)，這些影響因素增大了巷道的快速成巷及掘進(jìn)技術(shù)難度，為了滿足工作面高強(qiáng)度回采及安全高效的要求，需要對東歡坨煤礦巷道空頂區(qū)圍巖穩(wěn)定性、空頂距合理計算及相應(yīng)的快速掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。

圖2 3098里運(yùn)道、風(fēng)道架棚支護(hù)斷面布置(mm)

2 拱形巷道頂板空頂區(qū)頂蓋柱殼模型力學(xué)行為分析

東歡坨巷道斷面形狀為三心拱拱形，以橫截面為半橢圓形的柱殼為研究對象進(jìn)行分析，假設(shè)空頂區(qū)頂蓋柱殼寬度為b，縱向長度為a，根據(jù)彈性力學(xué)可知，當(dāng)其覆蓋面積的邊長比值a/b小于0.5時，可采用無矩理論進(jìn)行計算，對于深埋煤層巷道來說，空頂區(qū)內(nèi)頂蓋邊長通常比值小于0.5，故可采用無矩理論計算。

2.1 柱殼的無矩理論

對于煤礦的拱形巷道可看作是以柱面為中面的薄殼，α坐標(biāo)為柱面的母線方向；β坐標(biāo)為柱面的準(zhǔn)線方向，如圖3所示。所謂“無矩理論”無矩假定就是：假定整個薄殼的所有橫截面上都沒有彎矩和扭矩，通過“無矩假定”可將一般薄殼平衡方程進(jìn)一步簡化，從而得到柱殼的無矩理論平衡方程為[13-15]：

圖3 柱殼力學(xué)模型

2.2 頂蓋柱殼的無矩計算

將東歡坨的拱形頂板看作為頂蓋用的柱殼，如圖4所示，兩端支承在連續(xù)的墻壁上，邊墻在其平面內(nèi)的剛度很大，但在垂直于平面方向的剛度卻很小，柱殼的直線邊界與兩幫剛連，因此可以認(rèn)為柱殼在其兩端的曲線邊界上不受縱向拉壓力，則邊界條件用圖中所示的坐標(biāo)系表示為：

圖4 拱形巷道空頂區(qū)頂板的頂蓋柱殼模型

頂蓋柱殼所受的荷載主要是垂直荷載。柱殼在每單位面積上所受的垂直載荷為q0，則有：

q1=0，q2=q0sinφ，q3=-q0cosφ

(3)

式中，φ為柱殼中面法線與鉛直線的夾角，如圖5所示。為了運(yùn)算方便，下面用φ角來代替β作為環(huán)向坐標(biāo)。利用式(3)及幾何關(guān)系dβ=Rdφ，可將平衡方程(1)改寫為：

圖5 頂蓋柱殼幾何關(guān)系分析

FT2=-q0Rcosφ

(5)

將式(5)代人式(4)中的第二式，注意R也是φ的函數(shù)，得到：

對α積分，并利用對稱條件(FT12)α=0=0，得到：

代人式(4)中的第一式，得到：

對α積分，并利用邊界條件(a)，即得：

對于任何形狀的柱殼，均可用式(5)、(7)、(9)求得無矩內(nèi)力。將柱殼的橫截面近似看作半橢圓，其曲率半徑為：

式中，φ為橢圓法線與短軸的夾角，也就是橢圓切線與長軸的夾角；ε是橢圓的偏心率，而ε2=1-h2/(b/2)2，一同代入式(5)、(7)、(9)得到內(nèi)力的表達(dá)式如下：

在上述應(yīng)力中，拉應(yīng)力FT1對薄板的破壞起到了決定性的作用。由式(11)可知，當(dāng)α=a/2時，即空頂區(qū)離迎頭最遠(yuǎn)位置的拉應(yīng)力最大，代入式(11)得到最大拉應(yīng)力FT1max為：

如果頂板的極限的抗拉強(qiáng)度為[σt]，則當(dāng)FT1max≤σt時頂板是安全的，則頂板自穩(wěn)條件：

FT1max-σt≤0

(13)

由式(12)、式(13)求得拱形頂板的最大空頂距為：

由上式可以發(fā)現(xiàn)，空頂區(qū)頂板的穩(wěn)定與巷道寬度、拱頂高度、抗拉強(qiáng)度、頂板載荷等參數(shù)有關(guān)。

2.3 半圓拱形巷道空頂距計算分析

為了獲得拱形頂板破斷的規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)，設(shè)計頂板抗拉強(qiáng)度為0.65、0.75、0.85、0.95、1.05及1.15 MPa六組，巷道寬度為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0及6.5 m六組，埋深取300、400、500、600、700及800 m六組，拱高取0.6、1.0、1.4、1.8、2.2及2.6 m六組。采取控制變量法代入式(14)計算出a值，即為最大空頂距?？刂谱兞繛閎=5.5 m，H=700 m，σt=0.85 MPa，h=1.8 m。不同影響因素下對應(yīng)的最大空頂距曲線圖，如圖6所示。

圖6 不同影響因素下巷道頂板空頂距曲線

由圖6(a)可知，隨著巷道寬度的增大，最大空頂距呈降低的趨勢，說明斷面越寬，圍巖穩(wěn)定性越差，對于大斷面巷道，最大空頂距不能太大，為了實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，在滿足運(yùn)輸通風(fēng)要求的前提上因盡可能縮小斷面寬度。最大空頂距隨巷道寬度增大而減小的速率相對較小，說明拱形巷道相對而言更加穩(wěn)定，采用拱形斷面有利于增大空頂距。由圖6(b)可知，隨著埋深的增大，最大空頂距呈降低的趨勢，拱形頂板在埋深超過500 m后，其最大空頂距減小速率開始逐漸變緩，因此，拱形頂板更能適應(yīng)深埋巷道。由圖6(c)可知，隨著抗拉強(qiáng)度的增大，最大空頂距基本呈線性增大的趨勢，由圖6(d)可知，隨著拱高的增大，最大空頂距基本呈線性增大的趨勢，說明頂板越接近圓形，或者拱形頂板占巷道斷面面積越大，圍巖越穩(wěn)定。

為了更加精確的分析各影響因素對空頂距的影響占比程度，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將不同影響因素時最大空頂距分別代入min-max標(biāo)準(zhǔn)化公式(15)及Z-score標(biāo)準(zhǔn)化公式(16)，計算得到相應(yīng)的頂板最大空頂距的變化率，該變化率可反映該影響因素對最大空頂距的影響權(quán)重，對比分析如圖7所示。

圖7 不同影響因素下頂板最大空頂距的變化率對比

式中，max為樣本數(shù)據(jù)的最大值，min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。這種方法有一個缺陷就是當(dāng)有新數(shù)據(jù)加入時，可能導(dǎo)致max和min的變化，需要重新定義。

式中，μ為所有樣本數(shù)據(jù)的均值；σ為所有樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖7可知，通過兩種歸一化處理方法獲得的單個影響因素下最大空頂距變化率相差較大，但同一方法計算下各因素之間的差值很小。由min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法得到的頂板最大空頂距的影響因素敏感性排序依次為抗拉強(qiáng)度(21.3%)>拱高(18.9%)>埋深(18.23%)>巷道寬度(17.93%)，由Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法也可得到頂板最大空頂距的影響因素敏感性排序依次為拱高(59.5%)> 埋深(58.78%)>抗拉強(qiáng)度(58.58%)>巷道寬度(58.48%)，僅抗拉強(qiáng)度一項指標(biāo)存在差異。從整體來看變化率基本一致，因此可認(rèn)為四個影響指標(biāo)對于頂板最大空頂距的影響程度基本是一樣的。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析總結(jié)可得：

1)拱形巷道掘進(jìn)過程中最大空頂距的確定與頂板巖石的抗拉強(qiáng)度、巷道的拱高、寬度以及頂板載荷等參數(shù)都有著較為密切關(guān)系，且各自的影響程度大致相同，說明拱形巷道的穩(wěn)定性好，對于不同的地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。

2)拱形巷道的空頂距受巷道寬度影響很小，因此對于大斷面巷道選擇拱形斷面更有利。

3拱高對于拱形巷道空頂距的影響相對較大，實(shí)際工程設(shè)計應(yīng)盡可能增大拱的高度；抗拉強(qiáng)度對于拱形巷道空頂距的影響也相對較大，當(dāng)頂板抗拉強(qiáng)度降低時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小空頂距。

綜合上述分析及計算，確定東歡坨9煤3098里掘進(jìn)面拱形巷道的理論最大空頂距為1.84 m，由于該薄殼理論計算與實(shí)際工程相適應(yīng)，且薄殼受地質(zhì)因素影響小，因此在實(shí)際應(yīng)用中可不必考慮安全系數(shù)，但考慮東歡坨煤礦實(shí)際巷道斷面為三心拱，相較于橢圓形曲率更大，最大空頂距也相應(yīng)增大，按1.3的安全系數(shù)計算，得到三心拱斷面頂板最大空頂距為2.4 m。

3 采空區(qū)下拱型巷道數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

建立模型的尺寸為長×寬×高= 250 m×80 m ×135 m，如圖8所示。綜合考慮運(yùn)算速度和計算結(jié)果精度，對巷道附近區(qū)域的頂?shù)装寰W(wǎng)格進(jìn)行適度加密，共設(shè)992979個節(jié)點(diǎn)，968080個單元。煤層附近巖層網(wǎng)格適當(dāng)加密，尺寸為X×Y×Z=0.4 m×1.0 m×0.4 m，其他頂?shù)装鍏^(qū)域巖層的網(wǎng)格尺寸較大，為X×Y×Z=1.6 m×1.0 m×1.6 m。巷道尺寸 5.4 m× 3.6 m。模擬采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行計算，煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1，頂部施加17.75 MPa的垂直應(yīng)力，相當(dāng)于710 m厚上覆巖層的重量，水平應(yīng)力sxx為14.62 MPa，syy為10.23 MPa。

表1 東歡坨礦模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖8 東歡坨礦數(shù)值計算模型

由于9煤上覆為8煤采空區(qū)，因此先開挖8煤，再進(jìn)行3098里工作面巷道開挖。采用U型鋼架棚支護(hù)，模型中U型鋼采用beam單元模擬，根據(jù)U29型鋼材料確定屈服強(qiáng)度為400 MPa和抗彎截面模量為100 cm2，彈性模量為210 GPa，確定支架的屈服彎矩為45600 N·m，泊松比0.2。

3.2 空頂距對空頂區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律

設(shè)計空頂距為2、4、6、8及10 m五種工況，巷道開挖40 m。不同空頂區(qū)巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖9所示，當(dāng)空頂距為2 m時，空頂區(qū)巷道圍巖以剪切破壞為主，只有在底板及兩幫有很小范圍的拉伸破壞，巷道穩(wěn)定性最好；當(dāng)空頂距為4 m時，巷道兩幫出現(xiàn)了大范圍的拉伸破壞區(qū)，破壞深度為1.2 m，底板拉伸破壞范圍也加大；當(dāng)空頂距增大為6～10 m時，巷道右?guī)屠炱茐纳疃壤^續(xù)擴(kuò)大，空頂距10 m時最大為2.0 m，左幫深部圍巖則產(chǎn)生了大范圍的剪切破壞區(qū)，二者均使巷道兩幫圍巖穩(wěn)定性降低。因此，對于采空區(qū)下破碎軟巖巷道而言，最大空頂距控制在2 m左右可以保證巷道的穩(wěn)定與快速掘進(jìn)的安全。同時也可以看出，拱形巷道拱頂完全不會產(chǎn)生拉伸破壞，新產(chǎn)生的剪切破壞范圍也較小，拱頂?shù)某休d能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，因此，采空區(qū)下破碎軟巖巷道選擇拱形斷面是實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的必要前提。

圖9 不同空頂距時巷道塑性區(qū)發(fā)育分布

3.3 空頂距對U型鋼棚支護(hù)的影響規(guī)律

U型鋼架棚支護(hù)屬于被動支護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中，支架圍巖相互作用關(guān)系較差，支架實(shí)際承載能力僅為理論承載能力的 1/3～1/5甚至更低。盡管通過U型鋼支架壁后充填技術(shù)，支架承載能力和支護(hù)阻力得到大幅度提高，但只有當(dāng)巷道圍巖變形促使支架承受載荷增加時，支架受壓收縮后，工作阻力才隨之有效增加。如圖10(a)—(c)所示為不同空頂距時U型鋼截面軸向應(yīng)力分布，如圖10(d)—(f)所示為不同空頂距時U型鋼垂直位移分布，可以看出，越靠近迎頭位置的U型鋼截面軸向應(yīng)力越小，垂直位移也越小，特別是靠近迎頭前4根U型鋼，位移量為負(fù)值，梁頂部基本不受力；相反，遠(yuǎn)離迎頭的巷道開挖后時間長，巷道位移變形量更大，U型鋼截面軸向應(yīng)力也相應(yīng)越大，垂直位移也越大。同時可以看出，空頂距越大，棚腿垂直位移變大的范圍不斷增大，當(dāng)空頂距大于4 m后越明顯。

圖10 不同空頂距時U型鋼截面軸向應(yīng)力及位移分布

進(jìn)一步對比分析如圖11所示，U型鋼軸向應(yīng)力隨垂直位移增大而線性增大，隨著空頂距增大，垂直位移從84.5 mm增大道115.8 mm，增幅37%，軸向應(yīng)力從76.9 MPa增大到87.6 MPa，增幅14%，說明隨著巷道變形作用于U型鋼使U型鋼支護(hù)強(qiáng)度增大。

圖11 不同空頂距時U型鋼截面應(yīng)力與垂直位移對比曲線

綜上所述，當(dāng)巷道圍巖變形量達(dá)到一定程度時才開始承載，在破碎軟巖巷道中，U型鋼棚支護(hù)初期對圍巖提供的支護(hù)阻力很小，但隨著圍巖變形量增大，U型鋼棚承載能力迅速增加，因此，空頂距適當(dāng)增大有利于U型鋼快速達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度。

3.4 最大水平應(yīng)力對空頂區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

設(shè)計最大水平應(yīng)力方向與巷道的空間位置關(guān)系為垂直與水平時，巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育分布如圖12所示，可以看出塑性區(qū)破壞類型、深度和范圍基本未發(fā)生變化，說明最大水平應(yīng)力方向與巷道夾角對采空區(qū)下巷道圍巖穩(wěn)定性影響極小。

圖12 不同最大水平應(yīng)力與巷道的夾角時巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育分布

但最大水平應(yīng)力決定巷道圍巖破壞的形態(tài)，如圖12可知，圍巖重新產(chǎn)生的破壞范圍呈現(xiàn)明顯的非對稱性，巷道左幫遠(yuǎn)大于右?guī)?，且破壞深度一直沿左幫頂向?nèi)部延伸。巷道應(yīng)力分布如圖13所示，分析原因可知，巷道淺部圍巖垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力，因此淺部圍巖破壞特征主要由垂直應(yīng)力決定，而在圍巖深部，存在明顯的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，受其影響，圍巖會朝水平應(yīng)力集中的位置進(jìn)一步發(fā)生破壞，因此深部圍巖破壞特征主要由水平應(yīng)力決定。水平應(yīng)力集中的位置由煤層傾向和巷道于采空區(qū)下的空間位置共同決定，一般位于巷道與采空區(qū)之間偏向煤層下部的位置。

圖13 夾角垂直與水平時巷道應(yīng)力分布

綜合上述理論分析與數(shù)值模擬研究，認(rèn)為最大空頂距在2.4 m以內(nèi)，既可保證巷道圍巖的穩(wěn)定，又可使U 型鋼棚快速發(fā)揮支承作用。

4 快速掘進(jìn)配套設(shè)備改造設(shè)計及性能分析

4.1 機(jī)載站人平臺與機(jī)載托梁器聯(lián)合裝置

傳統(tǒng)的架棚支護(hù)方式需要在架棚時搭建臨時腳手架，然后插背板再架棚，需要大量的人力和時間，且安全系數(shù)和循環(huán)效率都很低。針對該問題，設(shè)計機(jī)載站人平臺與機(jī)載托梁器聯(lián)合裝置如圖14所示，該裝置的使用，直接省去了搭建臨時腳手架的工序與時間，工人在機(jī)載站人平臺上進(jìn)行支護(hù)工作，機(jī)載托梁器代替工人進(jìn)行掛梁，因此在掛梁前方便先將背板鋪好，再一起升起支護(hù)，省去了插背板的時間，同時減少了人力。

圖14 機(jī)載站人平臺與機(jī)載托梁器聯(lián)合裝置

4.2 新型長掘長支機(jī)載式臨時支護(hù)裝置

煤礦綜掘巷道迎頭的臨時支護(hù)問題，由于綜掘機(jī)與錨裝支護(hù)分體式工作，造成了大量的時間浪費(fèi)所致。為了解決了架棚巷道迎頭臨時支護(hù)問題，合作引進(jìn)ZLJ -10 型機(jī)載臨時支護(hù)裝置，使截割斷面與架設(shè)支架兩個工序連續(xù)作業(yè)。為了與東歡坨煤礦3098里工作面拱形巷道頂板形狀相適應(yīng)，對ZLJ -10型機(jī)載臨時支護(hù)裝置進(jìn)一步改造，從而設(shè)計研制了適用于東歡坨煤礦的新型長掘長支機(jī)載式臨時支護(hù)裝置，如圖15所示。頂架具有一定的彎曲，彎曲弧度與三心拱巷道頂板相適應(yīng)，長度增大為2.3 m，可以實(shí)現(xiàn)對最大空頂距頂板的全斷面支護(hù)，頂架有兩處凹槽，用于放置U型棚架，凹槽間距為850 mm，同時在頂架前后各布置兩根連接器，從而增大了對頂板的臨時支護(hù)強(qiáng)度。

圖15 新型長掘長支機(jī)載式臨時支護(hù)裝置

新型臨時支護(hù)裝置解決了架棚巷道掘進(jìn)迎頭臨時支護(hù)的難題，從以往每次一架一掘，一架一棚，增加到每次截割2架，2架一棚，作業(yè)人員站在前探支護(hù)裝置下方作業(yè)，保護(hù)作業(yè)人員施工安全，減少反復(fù)“掘-支-掘”施工環(huán)節(jié)，有效提高架設(shè)支架施工時間，實(shí)現(xiàn)架棚巷道掘進(jìn)安全高速進(jìn)尺。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

對現(xiàn)有井下施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，細(xì)化各工序及人員配置，東歡坨煤礦工作面巷道2架一掘一次成巷的通用工藝流程如圖16所示。增大空頂距后，一次切割二排，優(yōu)化快速掘進(jìn)設(shè)備與施工工藝后，六點(diǎn)、十四點(diǎn)班各9個循環(huán)，二十二點(diǎn)班檢修，循環(huán)進(jìn)尺1.7 m，一天進(jìn)尺30.6 m。若巷道圍巖穩(wěn)定，且兩個架棚的臨時支護(hù)與立棚腿、合棚梁間的工序可以平行作業(yè)，則每班可掘進(jìn)10個循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺1.7 m，一天進(jìn)尺34 m。確保了煤巷掘進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)月進(jìn)尺550 m以上，單個最小循環(huán)時間不超過50 min。

圖16 優(yōu)化工藝流程

從東歡坨煤礦的現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，一次截割最大臨時空頂距達(dá)到2.3 m，實(shí)現(xiàn)850 mm棚距一掘兩架，使截割斷面與架設(shè)支架兩個工序連續(xù)作業(yè)，成巷速度提高了，2021年1—7月平均月進(jìn)550 m以上，巔峰846.4 m，班進(jìn)16架14.1 m。棚式支護(hù)巷道成型質(zhì)量較好，架棚支護(hù)巷道在工作面超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)兩幫最大變形460 mm，頂板最大下沉量280 mm，能夠滿足工作面正?；夭梢蟆?/p>

6 結(jié) 論

1)基于薄殼理論，建立符合拱形斷面巷道的頂蓋柱殼力學(xué)模型，推導(dǎo)得出拱形頂板最大空頂距計算公式，分析得到巷道寬度、抗拉強(qiáng)度、埋深及拱高對最大空頂距的影響規(guī)律及權(quán)重，認(rèn)為拱形巷道對不同地質(zhì)條件的適用性強(qiáng)，并確定東歡坨理論最大空頂距為2.4 m。

2)數(shù)值模擬計算最大空頂距在2～3 m之間，適當(dāng)增大空頂距有利于U型鋼快速達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度；采空區(qū)下巷道淺部圍巖破壞特征主要由垂直應(yīng)力決定，而在圍巖深部存在明顯的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖會朝水平應(yīng)力集中的位置進(jìn)一步發(fā)生破壞，因此深部圍巖破壞特征主要由水平應(yīng)力決定。

3)通過改造自制機(jī)載站人平臺與機(jī)載托梁器聯(lián)合裝置及新型長掘長支機(jī)載式臨時支護(hù)裝置，解決了2.4 m空頂架棚巷道掘進(jìn)迎頭臨時支護(hù)的難題，配合優(yōu)化后的工藝流程，平均月進(jìn)550 m以上，巔峰846.4 m，班進(jìn)16架14.1 m，且棚式支護(hù)巷道成型質(zhì)量較好，從而實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)。