深部高应力煤巷的快速掘进优化研究

曹克忠

【摘 要】 深部开采矿井地应力、地质构造等影响更为突出，巷道掘进受影响更为明显，为缓解矿井采掘接替紧张局面，本文以3506巷掘为工程背景，对制约巷道掘进效率提升的因素进行综合分析，并对掘进、支护进行优化，实现了巷道快速掘进。具体研究成果为：1）3506巷采用EBZ-160MH掘锚机掘进时存在部分掘进工序不平行、掘进效率低等问题，从割煤、装载以及支护等方面对掘进施工进行优化，从而提升掘锚机掘进及支护效率;2）针对掘锚机两侧机载锚杆机无法施工巷道中间锚杆问题，采用FLAC3D对巷道永久支护进行优化，通过增加锚杆排距、减少锚杆数量并提升锚杆预紧力方式来取消巷道中间锚杆，提升巷道顶板支护效率;3）对巷道掘进优化后，作业人员劳动效率以及巷道掘进效率得以显著提升，掘进进尺由10.4m/d提升至13.7m/d，掘进速度提升31.7%，取得显著优化效果。研究成果可以為类似条件下矿井提供巷道掘进优化提供一定借鉴。

【关键词】 快速掘进;掘锚机;支护优化;掘进优化;煤巷

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）04-0001-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着采深增加巷道围岩应力场更为复杂、围岩蠕变变形，巷道掘进受到显著影响，劳动强度大，制约矿井高效生产。随着煤炭开采技术的提升，矿井生产过程中面临的采掘接替紧张局面更为明显，虽然近些年来综掘机、掘锚机应用在一定程度上提升巷道掘进效率，在一定程度上提升矿井生产效益，但是现场使用过程中仍存在适应性较差问题。虽然众多的研究学者从优化巷道支护、改进掘进方式、优化掘进施工工序等方面提出巷道掘进优化方案，并在一定程度上提升巷道掘进效率，但是由于不同矿井间现场条件存在较大差异，提出的优化方案并不具备广泛适用性。为此，文中以山西某矿3506回风巷掘进为研究对象，对制约巷道掘进因素进行分析，并针对性进行优化，以期能更好地促进深部高应力煤巷的快速掘进。

1工程概况

3506为3采区集中回风巷，沿着5号煤层顶板掘进，埋深平均856m。5号煤厚2.6～4.8m，平均3.3m，倾角5°，煤层硬度（f）0.7～1.1，掘进时绝对瓦斯涌出量在0.38m3/min。为了掌握3506巷掘进后围岩失稳影响因素，对巷道掘进区域地应力、围岩应力进行测试、评定，结果表明最大地应力为25.8MPa，巷道掘进处于高地应力影响范围内。3506巷掘进采用EBZ-160MH掘锚机施工，该设备在截割部上端布置有临时支护结构、两部折叠式锚杆机，实现了巷道掘机、锚固、支护等工艺连续进行。

2巷道快速掘进优化

2.1巷道掘进工序分析

采用EBZ-160MH掘锚机掘进时主要的工序为割煤、装载以及支护，任意工序效率低下均会影响巷道掘进效率。在提升巷道掘进效率的同时提升确保围岩控制能力，对保证巷道掘进安全具有重要意义。根据3506巷掘进实际情况，将巷道整个掘进工作细分成以下几个工序，交接班（地面）→安全检查→割煤（装运）→敲帮问顶→临时支护→铺设锚网→清运，具体见图1。巷道掘进采用“二九一六式”，每天两个大班（9h）、一个检修小班（6h），每个大班掘进4个循环（一个循环1300mm），每天掘进进尺为10.4m。采用的掘进方式虽然较普通的综掘方式有所提升，但是仍存在较大的优化空间，具体体现在交接班耗时过长、中部锚杆无法采用锚杆机施工等。

2.2掘进影响因素分析

制约巷道快速掘进工序主要有：

交接班：运料以及搬运工序设备;

割煤：部分截割齿损坏、施工方法以及掘锚机操作人员现场操作熟练度有待提升;

临时支护：设备搬运以及敲帮问顶等工序未能实现平行作业;

永久支护：人员安排混乱（10～15min），锚杆钻进故障（20min），水压、风压过低以及连接头脱落等（3min）;

延伸带式输送机：滚子搬运等待时间（10min）、悬挂钢丝绳准备（6min）、带式输送机附近碎石和煤渣等排空（4min）;

清理掘进面：设备查找（2min），多余支护材料撤出（3min）。

2.3掘进优化

交接班工作优化：严格落实制定的掘进工作标准化、工具管理标准化，实施作业点交班制度，最大程度实现平行作业，降低人员闲置时间;

割煤优化：在巷道掘进时适当留一定厚度底煤作为后续施工平台，有利于促进顶板支护效率及确保作业安全，强化对掘锚机司机培训，提高作业熟练度;

巷道临时支护优化：将巷道临时支护与敲帮问顶平行作业，顶板临时支护主要通过掘锚机随机携带的机载支护设备升起支撑顶板，在敲帮问顶同时升起机载支护设备，实现平行作业;

巷道永久支护优化：巷道原有的永久支护工序不变，取消顶板中间锚杆，在不降低顶板岩层控制效果的同时降低永久支护耗时;

清理掘进面优化：将巷道永久支护工序与掘进面清理工序部分工作平行开展，具体包括有水管铺设、托盘以及钻眼工具回收等;

整个掘进工序优化：将巷道单个循环掘进进尺提升至2.3m，除早班设备检修外，中班及晚班各完成3个循环掘进，每天完成6个循环。具体优化后的掘进流程见图2。

对3506巷掘进优化后，巷道在1个月掘进进尺为512m，最大掘进进尺达到16.2m/s，平均掘进进尺为13.7m/d，较未掘进优化前的10.4m/d掘进速度提升31.7%。现场应用表明，对巷道掘进优化后3506巷掘进效率显著提升。

3巷道顶板永久优化分析

机载锚杆机与巷帮间距为400mm，受到掘锚机中间立柱影响，锚杆机无法对巷道顶板中间锚杆进行施工，一般是将临时支护设备回撤后，采用锚杆钻进单独施工中间锚杆，该种支护方式严重制约巷道支护效率。虽然巷道埋深达到856m，但是煤层本身坚硬（f值0.7～1.1），同时顶底板岩层为坚硬砂岩，裂隙不发育、围岩稳定，虽然地应力较高，但是坚硬围岩为巷道变形优化提供了可靠条件。因此，提出取消顶板中间锚杆来达到提高围岩支护效率目的。

3.1优化方案分析

为了分析巷道顶板永久支护优化后的围岩控制效果，采用FLAC3D分析巷道永久支护改进前后的围岩变形破坏特征及围岩变形情况。巷道支护采用高强锚杆规格φ22mm×2500mm、锚索规格为φ21.6mm×7500mm，辅助采用W钢带、菱形金属网，锚杆、锚索排距分别为700mm、1600mm，具体各个支护方案参数见表1。

3.2塑性区及垂向应力分析

方案1时围岩顶板、底板及巷帮塑性区范围分别为3.2m、3.7m、5.3m，顶板塑性区分布呈“扇形”，边缘与顶板水平夹角约为50°;方案2是在方案1基础上改变锚杆间距，顶板、底板及巷帮塑性区范围分别为3.9m、4.5m、5.7m，顶板“扇形”塑性区边缘与顶板水平夹角为33°，在此支护条件下围岩塑性区分布范围明显增加，在保持锚杆预紧力不变情况下单纯增加锚杆排距不利于维护围岩稳定。

方案3在方案2基础上保持锚杆间距不变、增加预紧力，顶板、底板及巷帮塑性区范围分别为3.0m、3.2m、4.9m，顶板“扇形”塑性区边缘与顶板水平夹角约为55°，方案3较方案2、方案1条件下围岩塑性区分布范围明显降低，表明增加锚杆预紧力的同时增加锚杆间距可以在围岩控制效果不变情况下降低锚杆支护数量，提高锚杆支护效率。

方案4为增加锚杆数量的同时减少锚索，围岩塑性区分布与方案3相似，顶板“扇形”塑性区范围有所降低，边缘与顶板水平夹角约为58°，虽然降低锚索增加锚杆在一定程度上有利于围岩控制，但是由于中部施工的锚杆采用机载锚杆机施工时受到中间立柱影响，无法实现中间锚杆施工，若增加锚杆数量不利于增加巷道永久支护效率，制约巷道掘进效率。

同时在方案1～4中围岩最大垂向应力分别为30.8MPa、32.3MPa、29.2MPa、30.5MPa，方案3围岩垂向应力最小、降低幅度最大，这表明增加锚杆预紧力的同时增加锚杆排距可以对围岩有效控制。

3.3围岩变形分析

为掌握不同支护方案下围岩变形，在巷道围岩布置测线对顶底板、巷帮变形进行监测，具体不同方案下的变形情况见图3。

从图3看出，增加锚杆排距会在一定程度上增加围岩变形，提高锚杆预紧力及改变锚索、锚杆排距可以在一定程度上减缓围岩变形。从图3中看出，综合分析巷道围岩变形，方案3条件下围岩控制起到较好的效果，采用增加锚杆预紧力、减少锚杆支护数量方式在围岩控制效果、锚杆支护效率以及经济方案均可起到较好效果。在方案3中取消巷道顶板中部锚杆，实现了掘锚机两侧机载锚杆机平行作业，提升了巷道掘进效率。

4总结

深部煤巷掘进过程中受到高地温、高地应力影响，在一定程度上制约巷道掘进及支护效率，采用掘锚机可以在一定程度上提升巷道掘进效率。对3506巷采用EBZ-160MH掘锚机使用过程中制约巷道掘进效率因素进行分析，并从交接班、截割破煤、支护等方面提出优化措施，现场应用有巷道掘进效率较优化前提升31.7%。

采用数值模拟方法对巷道永久支护优化进行分析，结果表明通过增加锚杆预紧力、降低锚杆数量，可以整体上确保巷道围岩控制效果。优化后的巷道永久支护方案取消巷道顶板中间锚杆，并适当增加了锚杆预紧力，实现了EBZ-160MH掘锚机两侧机载锚杆机平行作业，有利于提升巷道围岩支护效率，并提升巷道掘进效率。

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