特厚煤层大断面煤巷快速掘进技术探讨

2020-07-03赵阳

煤 2020年6期

赵阳

(大同煤矿集团有限责任公司，山西大同 037000)

1 工程背景

马道头煤业为生产能力1000万t/a的特大型矿井，2404工作面是其北四盘区首采工作面，开采煤层为3～5号合并煤层，煤层最厚达26.3 m，平均厚度15.0 m，平均倾角为7°，为单一倾斜构造煤层，煤层顶底板岩性特征见表1所示。2404工作面内存在DF16、DF61、DF59等6条断层，断层落差为3.0～5.0 m，工作面不存在采空区积水隐患，处于带压开采相对安全区域，正常涌水量为5.0 m3/d。

表1 煤层顶底板岩性特征

2404工作面胶带巷沿煤层底板掘进，掘进断面宽×高=5.5 m×3.6 m，掘进断面积19.8 m2，巷道埋深300 m，总长度4 175 m。根据对巷道顶板煤层的钻孔探测，顶煤厚度平均11.0 m，纵向裂隙较发育，横向裂隙较少，巷道整体处于中低地应力范围内。

2 原煤巷掘进存在的主要问题

矿井生产能力大，对工作面产量效率要求高，2404工作面胶带巷沿煤层底板掘进，顶煤厚度大，掘进过程中巷道稳定性控制要求高，采掘接续较为紧张[1-2]。针对2404胶带巷已掘段存在的问题，通过分析，认为主要是支护参数不合理和施工工艺效率低两方面因素。

2.1 支护参数不合理

2404工作面支护方式：顶部、帮部均采用D22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为800 mm×900 mm，帮锚杆间排距1 000 mm×900 mm，锚固段1 500 mm，预紧力矩≥200 N·m，锚固力≥90 kN。锚索为D17.8 mm×8 300 mm的预应力钢绞线，间排距1 800 mm×1 800 mm，“二二”布置，角锚索为D17.8 mm×4 500 mm的预应力钢绞线，间排距5 400 mm×1 800 mm，“二二”布置，锚固段2 100 mm，锚固力≥150 kN。

从实际应用情况来看，原支护方式的锚杆预紧力矩较小，在地应力较小、煤体强度较大情况下不能有效减弱巷道偏应力的作用；其次，支护占比循环时间较多，造成采掘连续性不强，可以适当减小支护密度；再者，煤体顶板裂隙发育量不大，可以适当减小锚杆索长度，以达到加快支护进程的目的。

2.2 施工工艺效率低

2404工作面胶带巷已掘段使用的是普通纵轴式掘进机与单体钻机配合的施工工艺。掘进机循环进尺为0.8 m、循环时间30 min，截割掉的煤由装载扒机转运至转载机，进而放置在胶带输送机上，但支护要求巷道底部需留有部分煤矸石，因此支护后机组需复返装载或人工排矸，耗时耗力、效率较低[3]，整体单循环掘进时间达110 min。巷道采用单体钻机支护时，人工操作风动钻机进行打眼、装药、锚固等流程，手动作业危险系数高[4]。按照现代化矿井“一井一面”的产量标准，2404工作面年掘进进尺需要在3 000 m以上，而原掘进施工月进尺为240 m，不能够满足高产高效工作面要求。

3 掘锚一体机快速掘进技术

针对2404工作面存在的主要问题，为提高掘进效率，引进采用MB670掘锚一体机进行胶带巷的进尺及支护优化，以提高进尺速度，控制巷道稳定，增加经济效益。

3.1 支护参数优化

采用掘锚一体机后的优化支护断面如图1所示。

1) 顶板支护：锚杆索全部由掘锚机组打设，锚杆规格为D20 mm×2 000 mm的螺纹钢锚杆，间排距950 mm×1 000 mm(中间两根间距1 100 mm)，用1支MSCK2360树脂锚固剂加长锚固，锚固段830 mm，锚固力≥150 kN，预紧力≥300 N·m，全部垂直顶板打设。托盘规格150 mm×150 mm×10 mm，W钢带规格280 mm×450 mm×4 mm，网片规格3 200 mm×1 200 mm，网孔规格100 mm×100mm，要求双边孔孔相联。补强锚索规格为D17.8 mm×6 300 mm，锚索间排距2 000 mm×2 000 mm，距巷帮1 750 mm，树脂锚固剂为1支MSCK2360和2支MSZ2360，锚固段1 653 mm，托板规格300 mm×300 mm×12 mm，预紧力≥150 kN。

2) 巷帮支护：上部2根帮锚杆采用掘锚机组打设，下部两根帮锚杆采用人工打设。锚杆规格同顶部锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，最上最下两根锚杆均与水平方向成20°布置。

3.2 施工工艺优化

采用掘锚一体机进行巷道掘进后，根据设备结构特点和人机匹配原则，提出顶板和帮部锚杆空间不成排支护的截割支护方案[5]。具体而言，就是在掘进过程中不追求顶锚杆和帮锚杆的对齐性，机组不后退，达到快速掘进的目的。

首先，顶锚杆和帮锚杆不对齐支护形式下，顶锚杆领先帮锚杆300 mm，此时产生的支护应力场经研究与对齐支护产生的应力场基本一致，此时帮部也可以及时支护，有利于人机关系的协调性。再者，调整割煤工艺(如图2所示)，采用在巷道煤壁中部进刀，上下分两次截割成形，此时空顶距由1.8 m减少为0.8 m，空顶面积大幅减小，避免出现漏顶现象。

3.3 施工技术要求

为保证掘锚一体机施工质量，施工过程中需要注意以下几点：

1) 巷道掘锚一体机掘进尺寸超挖控制在200 mm以内，一次成型，锚杆索间排距误差不得超过设计值±50 mm；

2) 根据掘锚机组锚杆支护系统实际情况，顶锚杆空顶距设为2.5 m，上部2根帮锚杆空帮距不大于3.0 m，下部2根帮锚杆滞后掘进迎头不大于20 m。遇到顶板破碎、顶板淋水等条件时要及时补打锚索。

3) 掘进过程中，每隔100 m在顶板安装一个离层指示仪，观测围岩变形情况。

4 掘锚一体机快速掘进应用效果

1) 巷道变形情况。采用掘锚一体机进行快速掘进施工后，在新掘段布置围岩监测点，位移监测曲线如图3所示。从监测曲线可知，监测周期前30 d，顶板下沉量、两帮收缩量均成较大速率增长，最大变形速率在15 mm/d，掘进40 d后，顶板下沉量稳定在45 mm，两帮收缩量稳定在49 mm，底鼓量稳定在11 mm，一直持续到监测周期120 d结束，说明巷道整体控制效果较好。

2) 效益分析。实施掘锚一体机进行煤巷掘进后，单循环掘进时间由原来的110 min减少为45 min，降幅达59%，日施工循环从10个增加到16个，增幅60%，平均月进尺从240 m提高到400 m，增幅66.7%；日循环进度由8.0 m增加至13.0 m，增幅62.5%，人均效率从0.08 m提高到0.125 m，增幅56.3%。支护材料成本降低525.4元/m，降幅达15.9%，人工费用减少了369万元。掘锚一体机的应用，实现了大断面煤巷快速掘进，保证了采掘工序的连续性，经济效益与社会效益达到共赢。