潞安煤矿综合机械化快速掘进技术实践

周 波

（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046000）

1 工程背景

潞安煤矿S工作面位于-500水平东二采区，所采12#煤层平均厚度4.05m，平均抗压强度14.6MPa，煤体较松软，节理裂隙比较发育，支护难度较大。煤层上为0.2～0.6m厚炭质泥岩伪顶，层理及微裂隙十分发育，煤层直接底为0.8～1.2m灰黑炭质泥岩，直接影响掘进速度和安全生产[1]。

S工作面运输、回风巷高3.0m，宽4.75m，为直墙半圆拱形，锚网索支护。

图1 潞安煤矿S工作面巷道布置图

2 影响综掘速度的因素

（1）掘进、支护设备。掘进、支护设备的选择，直接影响掘进循环时间长短，潞安煤矿现采用旧式掘进机的煤巷存在进退频繁、机底下陷问题，直接影响综掘效率；支护所用锚杆钻机需要人工进行频繁移动，进一步限制了进尺水平提升，掘进机的开机率也受到严重影响。

（2）支护工序。经测算，支护工序、割煤工序、运输工序所占总时间分别为50%～60%、20%～30%、10%～15%，可见支护工序占用时间最长。

（3）施工工艺。悬臂式掘进机配合单体锚杆钻机、后配装载机和胶带输送机的综合机械化掘进属于潞安煤矿应用最为广泛的掘进工艺，该工艺施工流程可以描述为：“综掘机割煤→出煤→掘进机后撤→单体锚杆机人工移至工作面→连接风水管路→启动→锚杆机钻孔→安装→工作结束→推出锚杆机→进入新工作面→循环作业”，长期实践中发现，该掘进工艺在短掘短支、一掘一支循环作业时比较高效。

3 综掘快速掘进研究

3.1 数值模拟

为寻找合理的循环进度和支护方式，利用三维有限差分软件FLAC3D开展快速掘进技术应用的数值模拟，建立S工作面模型的长、宽、高为300m×60m×115m，采用半圆拱型断面，模型取一半以保证对称性。

3.1.1 不同掘进进尺掘进头应力场分布

模拟0.8m、1.6m、2.4m、3.2m四个掘进进尺方案时的不同应力分布。可以得出掘进尺寸3.2m时，掘进头顶板显著应力集中，这种端头效应带来的影响显然对巷道掘进不利；1.6～2.4m时应力集中程度、扰动影响范围对安全快速掘进影响不大；0.8m、1.6m、2.4m、3.2m时均存在掘进头前方煤体及顶底板应力增大区。

考虑到S工作面实际，出于安全考量，确定一般条件下采用1.6m的掘进进尺，如顶板条件较为优越则采用2.4m掘进进尺。因此，确定每天进尺为 14.4～21.6m[2]。

3.1.2 不同支护方式掘进头应力场分布

不同支护方案模拟结果如下：

（1）仅有锚杆支护时。掘进头附近应力集中明显，顶底板围岩塑性区及拉伸破坏区发育范围较大，锚杆主要承受剪切和径向拉伸力，虽围岩未发生强度破坏，但“弱化高度”明显加大，不利于快速掘进。

（2）锚杆与锚索耦合支护时。巷道顶板6～8m范围内形成了耦合承载区，掘进头附近应力集中明显，锚索发挥了悬吊作用、多排锚杆锚索共同作用产生了连续支持点，锚杆与锚索耦合支护减缓了顶板下沉。锚杆与锚索耦合支护，其作用主要体现在减少巷道底板塑性区发育范围，通过降低底板鼓起量，可有效防治煤巷快速掘进底鼓。

最终确定S工作面选择锚杆与锚索耦合支护方式，必要时候遵循“降低速度，确保安全”原则，如煤层变薄带、断层，同时还需要补打底角锚杆。

3.2 技术措施

3.2.1 掘进与支护设备的选择

S工作面煤巷掘进选择了MRH-S150型综掘机，该型号综掘机具备切割能力强、围岩条件适应性强的特点；锚杆钻孔设备选择了MQT-85J2型齿轮风动式锚杆钻机，该型号锚杆钻机能够大幅提升支护速度。

3.2.2 支护工序

（1）锚杆锚索耦合支护。可以结合围岩特征灵活掌握支护密度，必要时采用后路补打锚索强化支护方式并配合合理增大锚杆间排距措施。

（2）调整锚孔装药量、树脂锚固剂胶凝时间。结合数值模拟，将Z2835型树脂药卷由原来的两支优化为一支，将树脂锚固剂胶凝时间由原来的1min缩短为 20～30s。

（3）支护顺序。打两帮锚杆，可滞后顶板锚杆一排，锚索滞后迎头15m安装[3]。

3.2.3 辅助运输系统改造

考虑到同类巷道常出现破顶底掘进、局部地段产生大量矸石情况，在S工作面巷道辅助运输系统开展了针对性改造，将原有的刮板输送机更新为改装过的SDP-650型胶带输送机，实现了上带运煤、下带运送部分材料功能。

3.2.4 优化配置“掘、支、运”

（1）“掘、支”联合。考虑到传统锚杆支护施工工序过于繁杂，可采用机载锚杆钻机开展施工，改变锚杆钻孔安装与掘进机掘进不平衡现象，提升成巷速度、缩短锚杆有效作业时间。

（2）缩短辅助工序。为进一步提升综合机械化快速掘进技术应用效果，采用了部分工序平行作业措施，如通风、铺设轨道、交接班、延长管线等工序。

4 结论

潞安煤矿S工作面综合机械化快速掘进技术的应用，有效克服了高地应力、大断面、伪顶等不利因素影响，取得月进尺460m的好成绩，这一成绩的取得与合理掘进循环进度、支护工序改进、辅助运输连续化的优化配置、高质量配合存在直接联系，具备一定的借鉴价值。