大断面煤巷快速掘进施工优化

侯俊杰

（潞安集团寺家庄有限责任公司，山西 昔阳 045300）

引言

我国煤矿开采绝大多数属于地下开采，由于工作面的环境特殊且巷道条件复杂，使得工作面的掘进和回采面临着巨大的挑战。虽然我国已经加大了对工作面综采和综掘技术及装备的投入力度，但是掘进中依然存在回采和掘进效率失调问题，进而在整体上制约着煤矿的生产效率[1]。此外，随着各种大型生产设备在工作面的投入使用，巷道掘进的工作量也随之增加，相应的支护及维护难度也在不断加大。本文着重对大断面煤巷的快速掘进工艺进行优化，并对优化效果进行现场试验。

1 工程概况

本文所研究的利民煤矿为南北走向，煤矿储量可达111.86 Mt，目前该煤矿的生产能力为1.5 Mt/年。对利民煤矿的11603工作面开展具体研究，经探测可知，11603工作面煤层的厚度为3.3~8.7 m，平均煤层厚度为7.2 m，煤层倾角范围为3°~12°，平均倾角为6°；11603工作面的正常涌水量为5.2 m3/h，最大涌水量为95 m3/h；11603工作面瓦斯的相对涌出量为1.98 m3/t。11603工作面顶底板情况如表1所示。

表1 11603工作面顶底板情况

2 巷道的支护设计

经测量，11603工作面巷道的宽度为5.6 m，高度为4.4 m，属于大断面巷道。为保证11603工作面巷道后续掘进效率，需对工作面进行有效支护，以保证对巷道围岩进行良好控制[2]。基于工程类比法，采用数值模拟手段对不同支护方案进行对比，最终采用锚杆+锚索联合支护的最佳支护方案，拟采用的支护参数如表2所示。

表2 11603工作面拟采用的支护参数

2.1 锚杆直径的确定

由于11603工作面顶板的砂质泥岩强度较大且其巷道的断面较大，基于工程类比法确定了巷道顶板所选型锚杆的直径为20 mm，巷道两帮所采用锚杆的直径为18 mm。

2.2 锚杆长度的确定

通过对不同顶锚杆和两帮锚杆组合下的围岩控制效果进行对比，且根据所选型顶锚杆的直径为20 mm，两帮锚杆的直径为18 mm，锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm，并基于FLAC3D软件结合所测定的巷道参数建立三维模型，对上述不同支护参数下对应底板的底鼓量、两帮的移近量和顶板的下沉量进行对比，所得出的仿真结果如下页图1所示。

由图1可知，随着顶板锚杆长度的增加，底板的底鼓量、两帮的移近量以及顶板的下沉量均会减小。具体分析如下：当顶板锚杆从2 m增大至2.2 m时，两帮移近量明显降低，而顶板锚杆长度由2.4 m增大至2.6 m时，两帮的移近量变化不明显。因此，考虑到实际施工的难度和对巷道围岩的控制效果，应将顶板锚杆长度确定为2.4 m。

图1 不同锚杆长度组合下巷道的变形量对比

随着两帮锚杆长度的增加，底鼓量、两帮移近量以及顶板下沉量均减小。具体分析如下：帮锚杆长度由1.6 m增大至1.8 m以及从1.8 m增加至2 m对应两帮的移近量的变化量明显大于从2 m增加至2.2 m时的变化量。因此，考虑到实际施工的难度和对巷道围岩的控制效果，应将两帮锚杆长度确定为1.8 m。

同理，对在不同锚杆布置密度下的对应巷道的变形以及围岩深部和浅部的应力集中现象进行对比[3]。综合考虑实际施工难度和支护成本，最终确定锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 200 mm，选用锚索直径为17.8 mm的钢绞线；基于理论计算得出锚索长度的理论值为5.17 m，圆整为5.2 m；所确定锚索间距为2 400 mm，锚索排间距为4 000 mm。

3 大断面巷道掘进施工的优化

从理论上讲，影响工作面掘进效率的因素众多，包括巷道本身的地质条件、所选型的掘进设备类型和配套的装备、所设计的掘进工艺、在实际施工过程中的管理方案以及施工队伍的素质。在上述众多因素中，地质条件为不可改变因素，而在可变因素中，掘进设备及其配套设备的选型和掘进工艺的设计这两个影响因子最大[4]。因此，通过着重对大断面掘进设备及其配套设备和掘进工艺进行优化，以实现对巷道的快速掘进。值得注意的是上述因素均是在稳定支护的基础上进行分析的。

3.1 掘进设备及其配套设备的优化

结合11603工作面的实际情况和各种掘进设备及其配套设备的性能、成本以及安装方式，最终为该工作面快速掘进所配置的掘进机及其配套设备的参数如表3所示。

表3 掘进机及其配套设备的优化设计

3.2 掘进工艺的优化

根据11603工作面的实际情况，针对不同地质条件选用不同掘进工艺，具体阐述如下：

1）针对地质条件好的情况采用中心进刀方式开始掘进，并在四周进行刷帮操作[5]；

2）当巷道工作面出现顶板破碎情况时，工作面应该分两次进行截割，走向如图2所示。基于该掘进工艺可进一步提升巷道掘进的安全性，同时还可以减少巷道空顶的时间，进而提升巷道的掘进效率。

图2 顶板破碎工况掘进工艺

3）当在实际掘进过程中发现片帮现象时，应该按照如图3所示的工艺开始掘进。基于该掘进工艺可缩短两帮的暴露时间，从而提升巷道掘进的安全性，进而提升巷道的掘进效率。

图3 片帮工况时的掘进工艺

4 结语

实现工作面巷道的快速掘进，可与巷道回采效率相匹配，从而达到提升煤矿整体生产效率的目的。在实际掘进过程中，巷道的支护质量和对围岩的控制效果是保证巷道快速掘进的基础。此外，实际掘进施工中所选型的掘进机及其配套设备和所设计掘进工艺也会直接影响巷道的掘进效率。因此，需结合巷道实际情况，综合考虑施工难度和支护成本确定最佳方案对巷道进行支护，并为煤巷快速掘进配置掘进设备及其配套设备，以保证掘进工艺可适用于不同工况下的掘进。