胡底煤业3#煤层底抽巷快速掘进技术研究与应用

谭海龙

（山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司，山西 晋城 048200）

1 工程概况

山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司为突出矿井，现开采位于山西组下部的3#煤层，煤层平均厚度5.72 m，平均倾角6°，煤层原始瓦斯含量和瓦斯压力分别为25 m3/t、3.83 MPa。由于煤层瓦斯含量较高，故在巷道煤巷掘进前采用施工底抽巷的方式降低待掘区域的瓦斯含量，以确保巷道掘进作业的正常施工。底抽巷具体布置位置如图1。

3#煤层底抽巷沿5#煤掘进，掘进断面为矩形，净宽×净高=4400 mm×3100 mm。顶板岩层为K6灰岩和砂质泥岩，底板为砂质泥岩，支护方式为“锚网索”支护。为提升巷道掘进速度，特进行巷道快速掘进技术的研究。

图1 工作面底抽巷位置示意图

2 快速掘进技术

2.1 掘进工艺优化分析

根据3#煤层底抽巷的层位及地质条件可知，目前3#煤层底抽巷掘进时采用掘支单行作业，每个循环3 排，截割时间约为6～7 h，支护时间约为8～9 h。提升巷道掘进单行速度主要有三种措施，分别为提高掘进装备水平、提高支护设备机械化、最大限度平行作业。但上述三种措施仅能够在小幅程度上提升掘进速度，并无法大幅度实现掘进单行速度的提升。

若是能实现截割和支护平行作业，则会是整个工艺中最大效率的平行作业[1-3]。结合3#煤层底抽巷的具体地质条件，最终确定巷道新型的快速掘进工艺为“割矸+架棚（锚索）支护+滞后锚杆支护”。采用该种掘进工艺可实现掘进机割煤矸与巷道支护的平行作业，达到提高单进水平的效果。

2.2 滞后支护模拟分析

为模拟分析锚杆补强支护与掘进工作面之间的合理滞后距离，采用FLAC3D数值模拟软件，结合3#煤层地质条件，建立长×宽×高=100 m×46 m×41.8 m 的三维模型，模型侧边及底边均作固定处理，顶部施加等效自重应力，为20.8 MPa，模型两侧水平应力施加为1.11 MPa，并结合3#煤层顶底板岩层特征进行模型力学参数的赋值。

设置锚杆支护滞后掘头的距离为5～60 m 的范围，滞后距离每增加5 m 进行一次模拟分析，基于数值模拟结果得出围岩垂直应力及垂直位移情况如图2。

图2 锚杆支护滞后掘进头不同距离下垂直应力、位移

分析图2 可知，在距掘进头20 m 处，顶板应力大幅增加到9.544 2×105MPa，增加了17.73%，增加幅度较大，而且在距掘进迎头20～25 m 范围内，顶板垂直位移突然增大，表明在该区域顶板变形严重，顶板载荷会向巷道两帮传递。为防止帮部出现大面积松动或片帮，在距掘进迎头20 m 至滞后锚杆支护范围内的巷道帮部每2～3 排打一根中部锚杆，加强帮部支护强度。在距掘进迎头60 m 处，巷道顶板应力大幅增加到1.409 2 ×106MPa，增加了42.06%，而且在距掘进迎头55 m 处，顶板下沉量超过了200 mm。因此根据巷道顶板应力分布特征和垂直位移分析，大部分滞后锚杆支护没能及时跟上，是造成巷道顶板变形严重、下沉量大幅度增加的原因。综上，滞后锚杆支护距掘进工作面迎头的距离不能超过50 m。

锚杆支护滞后掘进头50 m 时，巷道围岩垂直应力及垂直位移云图如图3。

图3 垂直应力及垂直位移分布云图

2.3 掘进工艺安全性分析

（1）顶板K6 灰岩的稳定性。底抽巷以K6 灰岩为顶板，平均厚度1.8 m，深灰色灰岩，岩石致密坚硬，普氏系数约6～8，顶板完整性好，采用架棚工艺可以有效结实顶板，保证顶板受力均匀[4-5]。

（2）架棚支护的可靠性。采用“单体柱+π型梁”一梁两柱架棚支护，单体柱初撑力不小于12 MPa，棚与棚之间采用拉钩联锁，每一列单体柱采用钢绞线联锁，每一根单体柱加设防倒绳，同时按照原设计每两排打两根Ф22 mm×6300 mm 锚索，锚索预紧力不小于250 kN，保证了架棚支护段的顶板安全[6]。

（3）滞后锚杆的及时性。滞后锚杆补强支护随掘进及时跟进，距迎头不超50 m，确保了补强支护的及时性，保证顶板支护安全可靠。

3 快速掘进方案及效果

3.1 巷道支护方案

底抽巷采用锚网索支护，采用螺纹钢锚杆，锚杆参数为Ф22 mm×2400 mm，顶板及两帮锚杆间排距分别为1000 mm×1200 mm 和1100 mm×1200 mm；顶板锚索采用规格Ф22 mm×6300 mm 低松松弛钢绞线锚索，间排距2000 mm×2400 mm；巷道表面铺设10#铁丝编织的金属菱形网，网片搭接长度100mm。锚杆预紧扭矩400 Nm，锚索预紧力250 kN。具体巷道支护方式如图4。

图4 底抽巷支护方式示意图

3.2 快速掘进方案

底抽巷快速掘进工艺流程，主要为：掘进机割煤矸与架棚、锚索支护同时施工，锚杆补强支护滞后掘进工作面50 m施工；快速掘进工艺施工工序为：割矸→架棚（锚索）支护→风筒侧顶、帮角锚杆施工；平行作业：在二运后锚杆补强支护→回棚。具体快速掘进工艺的各项要求如下。

（1）时间要求：① 3 h 割2 排矸，1.5 h 架2 架棚，支护2 根锚索、4 根锚杆；② 早班、中班平行进行滞后锚杆支护，每班4 排。

（2）割矸工序：进刀→截割→修边→成形。

（3）架棚（锚索）永久支护工序：返托梁器→抬π 型梁上托梁器→上顶网（提前将钢带联在网片上）并与π 型梁联2～3 道→升托梁器、固定π 型梁、上两侧拉杆→π 型梁两端升起单体柱（初撑力达到12 MPa）→用托梁器临时支护升起第二排网片→施工顶部2 根锚索→放下托梁器临时支护→铺设风筒侧帮网→施工风筒侧顶角锚杆和帮角锚杆→联顶网和帮网。

（4）滞后锚杆补强支护工序：采用锚杆钻车支护，支护顶锚杆→施工行人侧帮角锚杆→铺设行人侧帮网→支护剩余帮锚杆，联网与支护平行作业。补强支护距工作面迎头的距离不能超过50 m，皮带距帮不小于0.5 m，底角锚杆起锚高度不超过0.9 m，永久抽放管路距工作面的距离不超过60 m。

（5）回棚工序：每天检修班利用锚杆钻车集中回棚，升起锚杆钻车临时支护与π 型梁接实→拆除π 型梁拉杆→将单体柱卸液→回收单体柱及柱鞋→降下临时支护和π 型梁，离开顶板100 mm →升起钻车平台，距离π 型梁1.5 m →π 型梁两侧各站2 人，同时抬起π 型梁→将π 型梁放在指定地点。

具体3#煤层底抽巷快速掘进工艺方式如图5。

图5 快速掘进工艺示意图

3.3 效果分析

1307 和1309 工作面底抽巷掘进时便采用新型掘进工艺，根据巷道掘进进尺记录表，能够得出巷道采用新掘进工艺后每月掘进进尺见表1。

表1 底抽巷掘进效率表

表1 可知，1309 工作面底抽巷采用快速掘进工艺施工时，6—11 月份平均单进水平为154 m/月，其中单进水平最高的月份为11 月，其数值达到211 m/月，相较于巷道原有掘进工艺105 m/月，掘进效率提升了100%，新型快速掘进工艺的平均单进水平提高47%，底抽巷掘进速度得到较大幅度的提升。

4 结论

根据3#煤层的赋存特征及底抽巷的布置层位，通过分析底抽巷采用掘支单行作业时的问题，确定新型快速掘进工艺为“割矸+架棚（锚索）支护+滞后锚杆支护”，并结合巷道支护进行快速掘进工艺的具体设计。根据掘进工艺的应用效果可知，掘进效率提高了100%，快速掘进工艺应用效果显著。