软岩巷道的快速掘进技术及工业性试验研究

张兴权

（山西平舒煤业有限公司， 山西 晋中 045400）

引言

在井下挖掘巷道，通过巷道在井下进行开采是目前我国应用最广泛的煤炭开采方式。据统计，到2019 年底，我国大约有90%的煤矿采用井工开采[1]，每年新增巷道数万公里。这些巷道的稳定情况和掘进速率会直接影响到煤炭的开采效率。随着开采深度的不断增加，井下的地质条件也变得越来越复杂，包括深部高地应力、软岩结构和特大断面巷道的比例越来越大，这些都对井工开采带来了困难。此外，由于我国的煤炭开采采掘比较低（1∶3.1），采掘比例失调，已经不能满足日益增长的能源需求。在保证安全生产的前提下，提高巷道的掘进速度，发展快速掘进技术已经迫在眉睫。

1 软岩巷道变形破坏分析

1.1 实验巷道概述

本文选取贵州化隆矿业的化乐煤矿为研究对象，根据该煤矿的地质条件和生产状况，以1201 工作面为例首先进行巷道变形破坏分析。1201 工作面巷道埋深为100～200m，整个开采工作面的长度为1400m，宽度为180 m。巷道的结构图如图1 所示，现有的开采巷道设计长度为1 480 m，巷道的断面设计为半圆拱形，高度设计为3 850 mm，宽度设计为4 500 mm，直墙段的设计高度为1 800 mm，巷壁的喷浆层厚度为100 mm。

1.2 围岩力学测试及岩样分析

选取巷道内两边，巷道顶部和巷道底部的岩石一共45 块，分组进行岩石抗拉、抗压和抗剪实验。每组样品分为5 份，其中一份进行抗压强度实验，一份进行抗拉强度实验，剩下三份以剪切角30°、45°和60°进行剪切强度测试，得到如表1 所示参数。

图1 1201 巷道工作面结构图

表1 软岩巷道围岩力学参数

分别在巷道左帮、右帮和顶板处选取围岩进行X 射线衍射实验来分析围岩成分，取样位置如表2所示，对取样进行X 射线衍射研究。

表2 X 射线衍射实验样品取样位置

在衍射研究后，发现在选取的样品中还有较多的高岭土、伊利石和蒙脱石混层。这些岩石都具有极强的亲水性，遇水会发生膨胀、软化、碎裂等现象。而化乐煤矿工作面的巷道普遍存在漏水、泄水等情况，所以可以将1201 运输巷道定义为软岩巷道。

1.3 实验巷道变形破坏分析

由于实验井下为软岩巷道，在其围岩发生吸水现象时，会发生膨胀和承载力减小的情况。相关实验数据表明，实验区巷道围岩的砂岩部分吸水后，其强度会减少32%～35%，泥岩部分强度会减少45%以上[2]。此外，含有膨胀性物质的岩体遇水会膨胀60%以上。如果时间过长，还会因为侵蚀作用发生松散，失去承载力而转为对巷道壁的荷载力。

在掘进过程中，在巷道周边和用来支护的支架间会产生一定的间隙。这些间隙会使围岩和支护架之间的接触成不规则分布，从而发生集中荷载和偏心荷载的现象，支护架可能会发生损坏或者坍塌现象。

2 快速掘进技术研究

目前在1201 矿巷采取的掘进技术为全断面一次成巷的方式，由掘进机、传送皮带和运输机组成。每次可以掘进0.5～0.6 m，运输能力为600 t/h[3]。由于其特殊的软岩地质条件，现有的采掘系统存在以下一些问题：

1）由于掘进机自重都比较大，而软岩巷道的底部和顶板都较软。在掘进机作业时产生的强烈震动会使底部和顶部的水分和泥岩混合，巷道的泥浆化会特别严重。

2）软岩巷在掘进过程中产生的泥浆还会对运输机产生影响。泥浆会随着皮带传往发电机，导致马达无力，影响传送速率。

3）对于掘进机的行走部，由于软岩巷道的底部软弱，而掘进机的接地仅靠两侧的履带，经常会发生履带陷入泥浆的状况，影响掘进机行进。

针对以上存在的问题，为提高掘进速度，文中设计了一种以悬壁式掘进机为主体的快速掘进系统。该系统由悬臂式掘进机和长距离皮带运输机组成，该系统通过以下措施来提高掘进效率。

1）优化掘进机截割顺序：在进行掘进作业时，先对工作面的地质情况进行分析，根据其实际情况选择截割方式。针对软岩工作面，截割先从左下角开始，然后按“S”形向上切割的方法进行截割。

2）定时收集物料：在截割时，尽量多堆积一些方形物料，这样不仅运输方便，还可以减少泥浆在截割机的堆积。

3）定时排除积水：在巷道侧面可以修建排水沟和蓄水池。在蓄水池中安装泥浆泵进行抽除工作，保证掘进机的工作环境。

4）优化掘进工作工序：实行多工序交叉作业，采用自动化挖柱取代人工挖柱窝[4]，缩短工序时间。

3 工业性实验研究

3.1 掘进速率统计

在实施新的施工方案后，1201 巷的掘进作业采用了三班掘进的施工工序。在现场作业实施后，对作业的进度进行了统计。得到如图2 所示的快速掘进速度曲线图，其中横坐标为时间，纵坐标为掘进工作的工作进度。

图2 1201 巷掘进进度图

从图2 可以看出，在30 d 的观测期内，一共掘进101.8 m，平均每日完成作业3.4 m。正常工作时间占总时间的93.3%，在第14 天和第22 天非正常掘进是因为机械故障。

3.2 矿压观测结果

在1201 巷道内建立监测站进行围岩位移观测，在距离掘进入口100 m 处设置第一个观测站，距离第一观测站20 m 处设置第二个观测站。观测频度为掘进作业面50 m 内或者是软岩巷道发生严重变形，观测频率为每日一次。在进行30 d 观测后，达到如图3、图4 观测结果。

图3 第一观测站围岩变形曲线

图4 第二观测站围岩变形曲线

由图3 可以看出：在第一观测点，顶板的最终下沉量为141.03 mm，下沉速度为37.78 mm/d，顶底板的最终位移量为189.09 mm，移动速度为45.10 mm/d，两帮最终的位移为136.92 mm，移动速度为24.88 mm/d。此外，软岩巷道的围岩收敛都发生在15 d 之内，最大的位移速度发生在第5 d。

如图4 所示，在第二观测点，顶板的最终下沉量为133.98 mm，下沉速度为34.94 mm/d，顶底板的最终位移量为208.11 mm，移动速度为49.63 mm/d，两帮最终的位移为198.00 mm，移动速度为243.24 mm/d。该观测点软岩巷道的围岩收敛都发生在15 d之内，最大的位移速度发生在第3 d[4-5]。

4 结语

以悬臂式掘进机为核心，结合软岩巷道的地质条件，重新设计掘进机在作业时的截割顺序，提出定时排除废料，废水的现场施工，以消除软岩地质在掘进时造成的不利影响。此外，优化掘进工序，确保新技术高效运行。对该项技术进行工业性实验研究，研究表明该新型快速掘进技术在软岩巷掘进工作中有着安全、稳定、效率高的优点。