任兆星

(汾西礦業(yè)正旺煤礦,山西 孝義 032300)

隨著煤炭采掘深度不斷增加,回采巷道掘進(jìn)受地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、水害等影響更趨明顯,不僅制約巷道掘進(jìn)效率,而且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。隨著大功率、先進(jìn)開采設(shè)備的應(yīng)用推廣,采面推進(jìn)速度明顯增加,礦井普遍面臨采掘接替緊張的問題。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下巷道快速掘進(jìn),是煤炭開采期間需要重點(diǎn)解決的問題[3]。眾多技術(shù)人員對(duì)巷道快速掘進(jìn)技術(shù)展開研究,其中劉永強(qiáng)[4]結(jié)合3506運(yùn)輸巷現(xiàn)場條件,提出引進(jìn)MBZ260M掘錨一體機(jī)提高巷道掘進(jìn)效率,并從掘錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)組成、施工方案以及現(xiàn)場應(yīng)用效果等進(jìn)行分析;任俊[5]針對(duì)四老溝礦1021運(yùn)輸巷道現(xiàn)場情況,從改進(jìn)掘進(jìn)機(jī)截割工藝、增設(shè)液壓前探梁等方式提高破巖效率并維護(hù)迎頭頂板穩(wěn)定,調(diào)整錨桿施工順序及位置等提高圍巖支護(hù)效率;唐小波[6]針對(duì)紅柳礦掘進(jìn)區(qū)域煤層厚度變化大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等問題,提出通過快速截割、設(shè)定合理支護(hù)參數(shù)、優(yōu)化人員組織以及提高輔助運(yùn)輸效率等提高巷道掘進(jìn)效率;王學(xué)強(qiáng)等[7]提出將智能化快速掘進(jìn)工藝應(yīng)用到15212工作面巷道掘進(jìn)中,構(gòu)建的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)包括掘錨一體機(jī)、錨桿鉆機(jī)、變頻帶式輸送機(jī)以及橋式轉(zhuǎn)載機(jī)等,并通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)、組織安排等實(shí)現(xiàn)錨掘、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)平行作業(yè),現(xiàn)場應(yīng)用后巷道單體掘進(jìn)進(jìn)尺可達(dá)到120 m,月進(jìn)尺可超過2 700 m.

上述研究成果表明,提升掘進(jìn)巷道綜合機(jī)械化水平、引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備、合理制定支護(hù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)圍巖快速支護(hù)以及合理進(jìn)行施工組織安排等是實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的關(guān)鍵所在。

山西某礦6503運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域條件復(fù)雜,受頂板破碎、瓦斯涌出、巷道斷面大等多重因素影響,文章結(jié)合6503運(yùn)輸巷現(xiàn)場條件并結(jié)合前人研究成果,提出通過合理布置設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)、引起先進(jìn)掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)備等方式提高巷道掘進(jìn)效率,以達(dá)到快速掘進(jìn)目的。

1 工程概況

6503運(yùn)輸巷沿著回采的5號(hào)煤層底板掘進(jìn),掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定,煤層厚度均值7.8 m、埋深590 m,煤層傾角2°～15°。5號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,中上部有2～5層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸,夾矸總厚度為0.56～1.27 m,煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及石灰?guī)r為主。

6503運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為矩形斷面,凈寬、凈高分別為5.8 m、3.6 m,設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為2 980 m.掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,在巷道掘進(jìn)前通過物探及定向長鉆孔等方式對(duì)富水區(qū)進(jìn)行探測(cè)、疏排,預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)期間涌出量較小;根據(jù)物探成果及鄰近巷道掘進(jìn)揭露資料顯示,6503運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間會(huì)揭露多條斷層,斷層影響區(qū)圍巖較為破碎。結(jié)合6503運(yùn)輸巷現(xiàn)場實(shí)際條件,分析制約巷道快速掘進(jìn)的因素主要為:地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜,6503運(yùn)輸巷埋深較大,在巷道掘進(jìn)期間容易出現(xiàn)圍巖大變形、冒頂、片幫等問題,對(duì)巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度有較高要求,從而導(dǎo)致巷道支護(hù)耗時(shí)較長;截割破巖、運(yùn)輸、錨桿索支護(hù)等工作量大,若采用的設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化程度偏低,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且效率不高。

2 巷道快速掘進(jìn)技術(shù)研究

由于6503運(yùn)輸巷為斷面較大的矩形巷道,頂板及巷幫均為承載能力及穩(wěn)定性相對(duì)較差的煤層,在巷道掘進(jìn)期間容易出現(xiàn)頂板、巷幫變形破壞問題。采用的掘進(jìn)工藝不僅需滿足快速掘進(jìn)要求,還要確保圍巖穩(wěn)定及現(xiàn)場施工安全,在可靠臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)等保護(hù)下實(shí)現(xiàn)掘—支—運(yùn)等工序高效運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)6503運(yùn)輸巷快速掘進(jìn),提出引進(jìn)錨掘一體機(jī)機(jī)組施工。對(duì)6503運(yùn)輸巷采用的圍巖支護(hù)參數(shù),以及掘進(jìn)工藝重點(diǎn)分析如下。

2.1 圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

6503運(yùn)輸巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)組合梁理論、懸吊理論等,通過工程類比法綜合確定,具體設(shè)計(jì)的運(yùn)輸巷支護(hù)斷面見圖1.頂板采用錨桿、錨索及金屬網(wǎng)支護(hù),巷幫采用錨桿、金屬網(wǎng)支護(hù)。頂板支護(hù)用錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿,每排布置8根,間排距為800 mm×800 mm,錨桿采用2支Z2360樹脂錨固劑加長錨固,錨桿施加預(yù)緊力矩為240 N·m;錨桿配套的托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm;一排錨桿間采用長度5 700 mm、寬度140 mm的T型鋼帶連接,鋼帶上間隔800 mm有錨桿孔;護(hù)表用的金屬網(wǎng)由8號(hào)鐵絲編制而成,規(guī)格為6 000 mm×1 000 mm,網(wǎng)孔規(guī)格為40 mm×40 mm.

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)

頂板錨索為規(guī)格Φ21.8 mm×8 300 mm的鋼絞線,采用3支型號(hào)Z2360樹脂錨固劑錨固,每排布置4根,間排距為1 400 mm×800 mm,施加210 kN預(yù)緊力。

巷幫采用錨桿、金屬網(wǎng)支護(hù),使用的錨桿規(guī)格、錨固方式及預(yù)緊力等參數(shù)與頂板錨桿一致,巷幫錨桿間排距為800 mm×800 mm,使用的金屬網(wǎng)由8號(hào)鐵絲編制而成,規(guī)格為6 000 mm×1 000 mm,網(wǎng)孔規(guī)格為40 mm×40 mm.

2.2 掘進(jìn)技術(shù)

在6503運(yùn)輸巷使用的快速掘進(jìn)機(jī)組為EJM340/4-2H掘錨一體機(jī),配套的其他設(shè)備包括錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)(MZHB-1200/20)、邁步式機(jī)尾、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)等構(gòu)成,具體使用的EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1.錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)可實(shí)現(xiàn)EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)后方錨桿快速補(bǔ)打,提高圍巖支護(hù)效率;邁步式機(jī)尾可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行進(jìn)、自動(dòng)調(diào)偏、連續(xù)運(yùn)輸?shù)裙δ?實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)快速移動(dòng);帶式轉(zhuǎn)載機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)運(yùn),提升運(yùn)輸效率。

表1 掘錨一體機(jī)技術(shù)參數(shù)

支護(hù)環(huán)節(jié)耗時(shí)在巷道掘進(jìn)中占比較大,提高支護(hù)效率可在一定程度上增加掘進(jìn)效率。6503運(yùn)輸巷采用EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)一次成巷,而且也實(shí)現(xiàn)了截割、圍巖支護(hù)及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的平行作業(yè),從而可顯著提升掘進(jìn)效率。根據(jù)6503運(yùn)輸巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)以及現(xiàn)場地質(zhì)條件,提出通過錨掘一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)(MZHB-1200/20)前后獨(dú)立作業(yè),實(shí)現(xiàn)圍巖支護(hù)平行作業(yè)。具體圍巖支護(hù)工序作業(yè)安排見圖2.

圖2 支護(hù)安排示意(單位:mm)

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)(MZHB-1200/20)緊跟錨掘一體機(jī)實(shí)現(xiàn)前后平行,達(dá)到提升圍巖支護(hù)效率的目的。

錨掘一體機(jī)的支護(hù)工作主要為:頂板1～3號(hào)、6～8號(hào)錨桿,由巷幫向中部位置施工,其中1號(hào)及8號(hào)錨桿均有15°外插角;頂板2～3號(hào)錨索。巷道兩幫靠近1～3號(hào)錨桿,其中最上部錨桿有15°外插角。

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)支護(hù)工作主要為:頂板中部的4～5號(hào)錨桿、頂板靠近兩幫的1號(hào)及4號(hào)錨索;巷幫下部的4～5號(hào)錨桿,其中5號(hào)錨桿有15°外插角。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在6503運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間布置測(cè)站監(jiān)測(cè)圍巖變形量,以便考察圍巖控制效果,具體結(jié)果見圖3.從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出,在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)(120 d)運(yùn)輸巷頂板、巷幫變形量整體較小,最大分別為35 mm、28 mm,表明現(xiàn)場使用的圍巖支護(hù)方式、支護(hù)組織安排等可滿足巷道圍巖控制需要。

圖3 6503運(yùn)輸巷圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6503運(yùn)輸巷采用快速掘進(jìn)工藝后,圍巖支護(hù)時(shí)間時(shí)明顯縮短,月掘進(jìn)進(jìn)尺可達(dá)到480～560 m,6503運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為2 980 m,整條巷道掘進(jìn)耗時(shí)7個(gè)月即可完成,大幅提升了巷道掘進(jìn)效率,為采面早日投產(chǎn)贏得了時(shí)間。

4 結(jié) 語

實(shí)現(xiàn)6503運(yùn)輸巷快速掘進(jìn)可緩解礦井采掘接替緊張局面,結(jié)合現(xiàn)場情況從巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)、巷道掘進(jìn)工藝以及圍巖支護(hù)安排等方面提出巷道快速掘進(jìn)技術(shù)方案。綜合組合梁理論、懸吊理論,通過工程類比法確定巷道圍巖支護(hù)參數(shù);通過EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)(MZHB-1200/20)、邁步式機(jī)尾、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)等相互配合實(shí)現(xiàn)截割、圍巖支護(hù)、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)雀咝нM(jìn)行,同時(shí)通過合理分配掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)支護(hù)任務(wù),不僅可實(shí)現(xiàn)圍巖變形有效控制而且可提高圍巖支護(hù)效率。

現(xiàn)場應(yīng)用后,6503運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間圍巖始終保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)大變形或者頂板冒落等征兆,監(jiān)測(cè)頂板、巷幫最大變形量分別為35 mm、28 mm.采用先進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備后,運(yùn)輸巷掘進(jìn)、支護(hù)及運(yùn)行效率均明顯提升,6503運(yùn)輸巷耗時(shí)7個(gè)月即可完成掘進(jìn),實(shí)現(xiàn)了安全快速掘進(jìn)。