大断面煤巷快速掘进与支护技术研究

武双忠

（山西汾西矿业集团柳湾煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

随着矿井综合机械化开采水平的提升，采面设计推进长度不断增加，如何实现回采巷道快速掘进成为煤炭矿井开采过程中需要重点解决的问题[1-2]。对于井工开采矿井而言，综掘技术发展水平滞后于综采技术，特别是大断面巷道掘进速度更慢，无法适应矿井煤炭高效回采需要[3-4]。同时随着矿井采掘深度增加，复杂地质条件下巷道围岩控制难度也有所提升，在另一方面制约巷道掘进速度以及围岩支护效果[5-7]。山西某矿年需要掘进巷道工程量达到1.4万m 以上，其中大断面煤巷掘进平均速度仅为300 m/月，从而导致矿井采掘接替局面较为紧张。为此，文中以对该矿3506 运输巷掘进为工程背景，对大断面巷道掘进速度较慢因素进行分析，并提出合理的掘进以及支护策略，以期能在一定程度上提升大断面巷道综合掘进效率。

1 3506 运输巷工程概况

3506 运输巷沿着5 号煤层掘进，埋深600 m，巷道设计掘进长度为1 590 m，矩形断面，巷高、宽分别为3 800 mm、5 000 mm。5 号煤层厚度平均3.2～5.6 m，均值为3.8 m，煤层顶底板岩性以砂岩为主，具体见表1。

表1 5 号煤层顶底板岩性

3506 运输巷掘进过程中面临煤层起伏大、地应力高、煤层结构复杂等问题。为提高掘进速度，提出采用短掘短支、高密度支护与高强度支护相结合方式对围岩进行控制，虽然围岩取得较好控制效果，但是也存在巷道支护耗时长、掘进进尺低等问题。现阶段矿井巷道综合机械化掘进水平不高，巷道采用前探梁进行临时支护，前探梁多是使用工人挂前梁；采用单体锚杆钻机施工锚杆、锚索。由于巷道采用一掘、一支方式，单个掘进循环进尺在800 mm，同时巷道掘进以及围岩支护工作无法同步开展，每个循环内掘进机均需多次后退或者前移综掘机。

2 大断面煤巷快速掘进及围岩支护技术方案

针对3506 运输巷掘进实际地质条件，重点对下述内容进行研究。

1）巷道围岩支护设备以及配套支护工艺。针对3506 运输巷实际条件，提出将机械化临时支护、综掘机等设备应用到巷道掘进、围岩控制中并进行工程应用，在应用实践中对掘进及围岩支护工艺进行改进，可较好适应矿井大断面巷道快速掘进需要。

2）对大断面煤巷围岩支护参数进行优化。依据巷道围岩支护理论对掘进迎头临时支护强度进行理论分析，并对现有的巷道永久支护参数进行优化，从而改进得到满足围岩控制以及巷道快速掘进需要的支护方案。

3）对巷道围岩应力、位移分布规律等进行研究，并综合提出使用分段、分级支护方式控制围岩变形。

2.1 巷道掘进优化

依据3506 运输巷实际情况，在巷道EBZ260 综掘机掘进过程中使用ZLJ-20/21 机载快速支护设备。综掘机上配套使用的快速临时支护可解决巷道临时支护存在的问题，同时实现掘进迎头空顶区快速、安全支护，使得巷道掘进、支护平衡，提升巷道掘进综合机械化程度。ZLJ-20/21 机载快速支护设备布置示意图如图1 所示。

图1 ZLJ-20/21 机载快速支护设备布置示意图

为提高综掘机破煤效率，应依据掘进迎头地质条件差异选择不同的进刀方式，从而提升综掘机综合使用效率。当巷道掘进迎头地质条件较好时，采用中心进刀后向四周逐渐刷扩方式破煤；当迎头顶板破碎时，可分2 次破煤，具体先截割采面1/3 宽度，后再截割迎头剩余的2/3 宽度，从而缩小掘进迎头顶板空顶时间以及空顶范围；当掘进迎头位置围岩应力集中时，迎头煤体出现片帮率较高，为减少巷帮暴露时间，可从巷道中部位置开始截割，后逐渐刷扩巷帮。具体综掘机进刀示意图如图2 所示。

图2 综掘机进刀示意图

2.2 巷道支护优化

将巷道断面由传统的矩形改为倒梯形，巷帮均有92°扎角。顶锚杆排距由800 mm 增加至900～1 000 mm；锚索排距由1 600 mm 调整至1 800 mm，同时顶锚索由2 根减少至1 根，排距修改为1 700 mm×1 800 mm。具体巷道支护设计见图3 所示，顶板采用7 根锚杆、1 根锚索支护，锚杆间排距为750 mm×900 mm，锚索布置在巷道中部、排距设计为1 800 mm；巷帮布置5 根螺纹钢锚杆，其中靠近上部的4 根锚杆规格均为Φ20 mm×2 000 mm、下部的1 根锚杆规格为Φ20 mm×1 000 mm，在实体煤帮按照间距1 700 mm 布置2 根规格Φ22 mm×8 500 mm 锚索，在采空区帮巷帮中部以及靠近底板500 mm 分别布置规格22 mm×3 500 mm 锚索。巷道支护断面图如图3 所示。

图3 巷道支护断面图（单位：mm）

2.3 掘进及支护施工工序优化

为最大程度实现巷道掘进、围岩支护平行作业，提高巷道掘进以及围岩支护效率，提出将分段多级支护技术应用到围岩支护中，具体为将巷道支护等级划分为临时、及时以及滞后支护三个等级。具体确定的三个支护等级方案为：当巷道掘进前方顶板岩层完整、矿压正常显现时，采用综掘机机载快速支护装置施工2 排钢带，巷帮上部施工2 根锚杆、巷帮第3 根锚杆滞后掘进迎头4 排锚杆施工、巷帮第4 根、第5 根锚杆滞后掘进迎头5 排锚杆施工；巷道掘进过应力集中带、地质构造带或者煤壁容易片帮区域时，巷帮锚杆紧跟掘进迎头施工。

3 结语

通过对巷道掘进以及围岩支护参数进行优化后，3506 运输巷巷道掘进进尺平均达到400 m/月，巷道综合掘进效率较以往增加约100 m，实现了巷道安全、快速掘进。对巷道支护参数优化应用后，巷道在掘进以及后续回采期间围岩始终保持稳定，掘进期间顶底板、巷帮变形分别控制在65 mm、195 mm以内；采面回采期间顶底板、巷帮变形量分别控制在135 mm、368 mm，巷道围岩保持稳定，可满足掘进以及后续生产需要。