千米深井岩石巷道快速综掘施工工艺

2013-11-20雷成祥经来旺杨仁树周克林张五一

中国矿业 2013年5期

雷成祥，经来旺，杨仁树，周克林，张五一

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.安徽理工大学，安徽淮南232001；3.淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽淮南232001）

我国东部地区经济较发达，煤炭需求量大，其中东部的安徽、山东和中部的河南、河北等四省的煤炭储量之和为2500亿t以上，占全国探明保有储量的26%。在鲁西、安徽的两淮、冀中、豫西等地有11处以上煤田，近900亿t属于深层资源，其深度通常在500～1200m，其中两淮地区近几年开拓的矿井深度均超1000m（如淮南矿业集团的谢一矿、朱集矿井、潘一东矿井，皖北煤电集团的朱集西矿井，淮北矿业股份公司的新湖煤矿等），超深的矿井带来了许多新问题，如高瓦斯、高地压、岩石软化特征等，为了达到安全生产的目的，瓦斯的预先抽排成为了必须的手段，而抽排瓦斯需要增设较多的高低抽巷，这无疑增加了煤矿岩石巷道的掘进量，因此，在高地压、软岩的环境下实现快速掘进就显得十分必要，岩石巷道的快速掘进不仅可以为瓦斯的预先抽排、工作面的尽早且安全的开采提供条件，而且可以为采区工作面的顺利接替奠定基础，为煤矿的提前投产创造条件。此外，煤矿岩石巷道的掘进速度与矿山建设的成本密切相关，掘进速度越快，成本越低。因此，实施煤矿岩石巷道快速掘砌技术研究具有很大的现实意义。本项目正是基于上述背景立项研究的。

近年来，关于岩巷快速掘进的的文献很多，其中绝大多数是关于炮掘的[1－4]，也有少部分研究综掘的[5－8]，还有一部分是从工程管理角度进行分析的[9]。但纵观这些文献均存在一个问题，即基本上是针对某一条巷道在某个月份的试验研究成果，且巷道断面和地压均不是很大。本项目以淮南矿业（集团）有限公司谢一矿与朱集矿两个千米深井为试验矿井，采用下述先进的工艺模式取得了较好的成果，对我国超深矿井的机械化施工和有效支护技术的进一步研究具有较为重要的参考价值。

1 岩石巷道快速综掘施工工艺模式

1.1 工艺模式概述

该工艺是以具体数字表示的一种工艺模式，即“1－3－2－2－2－1”，其中每一个数字均对应一特定的内容，涉及岩石巷道施工的各主要方面，具体包括循环进尺量、综掘一次进尺与支护的关系、巷道支护方式、主要支护参数、综掘机施工方法、排矸方式、每循环排矸次数等。该工艺模式追求的目标是施工进度的最大化，该工艺模式的研究基础是施工机械化，该工艺模式研究的主导思想是最大限度地实现各工序平行作业。该工艺模式的具体构成如下。

1——综掘机掘进1次，1500mm。

3——对应于综掘机的1次掘进，安装3排锚杆；顶部锚杆一次性锚固，锚杆排距500mm，间隔采用M型钢带和T型钢带。

2——帮部锚杆采用2次支护，锚索支护距迎头10～20m。

2——第2个2是指综掘机掘进时采用“分台阶施工法”。

2——最后一个2表示，综掘机每循环排矸2次。

1——最后一个1表示，皮带机头处设置1个水平储矸仓。

对应于锚杆二次支护，综掘机掘进时采用分台阶施工法。

1.2 快速综掘施工工艺主要内容剖析

1.2.1 应用综掘机概述

本项目试验巷道快速掘进使用的综掘机均为国产半煤岩综掘机，对应型号有3种，分别为：EBZ260、EBZ200H、EBZ160。其中，EBZ260型掘进机，适用于任意形状断面的煤巷、半煤岩、全岩（f≦8）的掘进工作，还可用于条件类似的其他矿山及工程施工巷道的掘进。EBZ200H型掘进机单刀力大，破岩过断层能力强，载荷波动小，除尘效果好；在节理发育的地质状况下，能有效、经济的截割硬度80MPa的全岩断面，最大定位截割断面可达28m2。EBZ－160型掘进机具有生产效率高，掘进速度快，适应性强，调动灵活等优点，可用于含有瓦斯、煤尘或其它爆炸性混合气体巷道的掘进工作，可掘巷道最大宽度5.0m，最大高度4.8m，可掘任意断面形状的巷道，适应巷道坡度±16°，可经济切割单向抗压硬度80MPa的煤岩，属中重型悬臂式掘进机。

1.2.2 综掘机作业方式

综掘机作业方式与工艺模式中前3个具体数字相关，具体包含小班循环次数、单循环进尺，研究制定时需要细致地研究每循环对应的支护工作量、排矸工作量、延皮带工作量、钉道和接风水管路工作量、综掘机切割工作量、单循环内各工序之间时间和空间上的关系等。在综合考虑了上述相关因素后，针对试验巷道的地压、岩性、施工队伍技术水平，最后确定了如下综掘作业方式。

综掘机作业方式：每循环切割3排，每小班2个循环，循环进尺1.5m。对应的支护方式为锚杆间排距700mm×500mm，间隔采用M型钢带和T型钢带，顶部锚杆一次支护，帮部锚杆二次支护。岩性较稳定时，顶部锚索安装滞后工作面10～20m；岩性较差时，顶部锚索紧跟迎头施工。

采用上述作业方式，若循环率按照85%计算，实际日进尺可达7.65m；条件较好时，最高日进尺可达9m。

1.3 分台阶施工法

如图1所示，综掘机掘进时，迎头留设长度10m的斜坡，掘进高度保持3m以内，切割臂抬升角度小，同时实现斜坡段帮顶锚杆错茬施工，互不干扰，解决了顶帮矸石沿切割臂滚落造成的安全隐患。其次，围岩强度许可的情况下拱基线以下帮部支护滞后迎头20m，与迎头施工可实现平行作业，将迎头有限的作业空间“拉长”，工序间实现空间与时间上的平行作业。分台阶施工法除了上述优越性之外，还有如下几个方面的优点。

1）便捷了顶部锚网的支护，使得总体支护时间减小25%左右。

2）斜坡的存在，保证了工作面施工现场巷道底板无积水，综掘机进退自如，不会出现趴窝情况。

3）工作面迎头高度较小，片帮隐患大大减小，工作面的安全性大幅提高。

4）斜坡的存在使得综掘机排矸难度减小，排矸效率提高。

图1 分台阶施工法示意图

1.4 综掘机二次排矸

工艺模式中的最后一个2表示每循环综掘机排矸2次，即切割后将矸石先排掉一半并留下一半，留下的一半作为顶部锚杆（索）的施工平台，可以有效的缩小工作面高度，便于顶部锚杆索的施工，大幅提高施工效率。顶部锚杆（索）施工完毕之后，再将另外一半矸石排掉。

1.5 设置临时矸石仓

掘进机快速施工的关键是皮带机实现连续排矸。为保证连续作业，在皮带机头处设置水平储矸仓意义十分重大。临时储矸仓示意图见图2。临时储矸仓的设施需要考虑巷道断面，对应于本项目试验巷道，设计的储矸仓尺寸为：长30m，宽2.5m，高度1.5m，容积112.5m3。隔矸墙用11＃矿用工字钢做立柱，采用直径16mm×110mm螺丝把5×50mm钢板固定在立柱上。立柱预埋底板以下1.0m，用C30混凝土浇筑。储矸仓内卧底300mm，采用24kg／m轨道按间距300mm铺底。两端用11＃工字钢地锚固定，施工水泥地坪，上铺10mm的钢板，钢板戗茬搭接地锚固定。

为使储矸仓增加容量和防止耙装机扒斗撞击皮带机头，需增高皮带机基础1.0m。机头采用Φ15.5mm钢丝绳固定在两根地锚（Φ22mm×2500mm锚杆）上，机尾采用打两根地锚（Φ22mm×2500mm锚杆）、Φ15.5mm钢丝绳固定。

图2 临时矸石仓示意图

2 现场工业性试验

现场试验选择了淮南矿业（集团）有限公司当时最深的两个矿井，谢一矿深部矿井与朱集矿。其中谢一矿深部矿井，第一开采水平－960m，第二开采水平－1200m，第一水平铅直地应力σv＝21.27MPa，最大水平地应力σH＝20.20MPa，最小水平地应力σh＝10.51MPa。巷道围岩以砂质泥岩为主，岩石硬度基本处于f＝3.5～6的范围。

朱集矿井第一开采水平－906m，第二开采水平－1070m，巷道围岩主要为泥岩和粉砂岩，但以粉砂岩为主，其中泥岩f＝3.5～5.5；粉砂岩f＝6～8。绝大部分巷道处于粉砂岩范围内。第一水平铅直地应力为19MPa，最大水平地应力22MPa，最小水平地应力17MPa。

采用以上先进工艺与技术，自2007年8月开始，至2010年8月结束，37个月内共计完成了9条巷道的试验研究，巷道深度范围810～1100m，巷道平均断面积18.61m2，巷道围岩硬度值f＝3.5～8，平均月成巷速度153.78m／月，单月最高月进尺258m／月，具体如下。