高应力煤层快速掘进技术优化路径探究

荆二强

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

当前国内的大型煤矿基本实现了机械化开采，即便是巷道掘进，机械化水平也达到了90%。然而在部分煤矿开始步入深部开采阶段之后，巷道内部环境问题逐渐突出，如温度高、应力场复杂，不仅弱化了煤岩体的力学性质，增加了煤矿灾害发生的可能性，还给实际掘进效率和维护带来了巨大障碍，严重影响着煤矿采掘的连续性。为改变这一现状，提升掘进速度，就必须转变常规掘进设计理念，有针对性地对当下的各项成熟技术加以优化和改良。

1 高应力煤层快速掘进现状

当前煤巷快速掘进支护工艺主要有三类：①悬臂式综掘机配合法；②连续采煤机交叉换位法；③掘锚护一体化机组施工法。其中应用最广泛的则是前两种，但是，从机械化程度上来看，只有破岩与装运的时候是完全的机械化操作，其余都十分依赖人工，这就导致操作工序增加，使得掘进速度受到极大限制，支护时间也比较长。尤其是当采深增加之后，快速掘进更难以实现。另外，对于第二种方式来说，其本身就存在一定问题，即其设备主要是连续采煤机和锚杆台车，因此整体体积非常大，只能进行交叉换位掘进，不能同时展开工作，所以这就会导致其在单巷掘进当中不具备实用性，只能被应用在煤层赋存条件较佳的矿区中。对于第三种方式来说，其整体能在空间上实现同步掘进与支护，机械化程度较高，可以有效减少人员工作量，提升支护速度，因此已经成为当前掘进技术研究的热门话题。但该模式对于设备要求较高，基本都是国外引进，因此这就涉及到适应性问题，需要有关人员特别重视起支护工艺，全面提升机组应用效率，提升掘进速度。

另外巷道支护也是快速掘进的一项重要因素，虽然常规的锚喷支护等方式能有效缓解地应力引起的变形问题，但只能被应用在浅部巷道中，一旦地应力极大，则难以真正满足岩石性质变化。为此，目前在高应力下的巷道支护中，主要以锚网袋联合锚锁梁为主，因此要真正保证高应力下的支护质量，还需从锚杆与锚索着手进行分析。

2 高应力煤层掘进速度影响因素分析

高应力煤层快速掘进具有综合性和系统化等特征，不仅和工程本身的地质状况有一定关联，还和掘进设备、支护、工艺等有一定联系[1]。通常在开采深度不断加大之下，影响掘进速度的最大因素就是支护，所以在保证基本安全性的基础上，要提升掘进速度，就要强化机械化作业程度，优化支护参数，减少支护时间。

某一工程属于煤层大巷，对于掘进操作具有一定优势，但却存在巷道维护难度大与投资高的问题。其所开采煤层整体层理与节理较为发育，煤尘爆炸危险性不高，同时施工区域基本顶主要是泥岩与中粒砂岩，厚度较高，比较稳定。能够发现，其掘进生产条件较佳，有利于开展快速掘进。但其巷道涌水量比较大，所掘巷道埋深较大，地应力影响大，煤层与顶板稳定性不强，可能顶板和帮部会产生一定变形。且顶板为砂岩，遇水之后强度会显著变低，导致稳定性变差，从而致使围岩产生较大变形。这些因素综合影响着其巷道支护的耗时，延长了掘进时间，降低了掘进速度。通过分析掘进所用设备和同类型号的生产能力之后发现，其整体作用并未得到充分发挥。所以其中影响掘进速度的最大因素就是支护和生产流程。特别是生产流程，其中影响因素较多，如人员素质不高、劳动组织缺乏秩序性、各环节衔接不紧密等。所以在技术优化时，必须从这几项影响因素着手进行。

3 高应力煤层快速掘进技术优化

3.1 优化巷道断面形状

当前巷道内作业机械尺寸越来越大，因此必须有更大更加适合的巷道断面积。一方面，直接从巷道使用着手。巷道一般发挥作用的主要是剖面积，所有生产活动都要在其断面积当中开展[2]。同时整个作业过程有一定通风要求，所以断面本身就属于硬性规定。另一方面，直接考虑巷道变形。巷道围岩位移场所就是断面积周长一圈之内，位移量也具有一定区域特性，由此能够看出巷道断面形状给其围岩受力和变形带来的影响极深。高应力煤巷尾围岩变形量大、持续时间久、底鼓较为严重，所以为了使高应力情况下的煤巷支护难度降低，还必须从各个角度着手，尽可能降低高应力给巷道围岩表面带来的破坏，具体可以从巷道的剖面形状着手，以实现对其断面受力情况的进一步优化。

目前国内矿井巷道断面最常用的形状主要有五种（见图1），给其建立模拟区域。

图1 巷道断面最常见的五种形状

在应力特征中，应力集中区域的产生与巷道挖掘之后产生的围岩周围无限制自由面有一定关系，在其表面四周，围岩应力重新分布，并在不同位置和应力集中程度之下，出现集聚应力。这一位置会出现应力极值，并且断面形状不同，最大应力极值也会有所差异。在上述五种形状中，其垂直应力最大的应该是圆形，接下来则为拱形、矩形，然后才是微梯形，最后是梯形。从整体来看，其应力规律大致相同，例如应力的集中区域主要分布在两侧，极值处在中间。

在塑形区发育特征中，上述五种形状只要是存在尖角的其尖角都会最先受到破坏，并在边和周长中点上的拉破坏都会形成剪切破坏。在矩形断面当中，围岩主要是剪切破坏，只在帮部与顶板边缘产生拉压破坏；在微梯形断面当中，塑性区域也主要是剪切破坏，甚至在顶板和底角产生拉压破坏；在梯形断面中，也是以剪切破坏为核心，只在顶板和帮部边缘产生拉压破坏；拱形断面中，塑性区也主要是剪切破坏，顶板上方一定范围和底板中心下方一定范围内为剪切破坏，帮部边缘存在拉压破坏，整体比较少；圆形断面中，塑性区域也主要是剪切破坏[3]。

另外，矩形巷道和微梯形巷道相关因素相差并不明显，但在断面利用率和施工难易程度上微梯形的和矩形的相比存在一定不足，同时施工难度和时间也有所增加。另外圆形断面虽然更适合高应力巷道，但却不利于施工作业展开和巷道后续维护，而矩形断面能在很大程度上优化围岩受力情况，减少围岩变形和破坏出现的可能性。并且，在该高应力实验巷道中，其原支护设计方案就是矩形，不管是人工操作、技术标准，还是资金投入，矩形的优选级别都更高。所以综合来看，矩形断面更加适合。

3.2 优化支护技术参数

要提升高应力煤层掘进速度，就必须先确定支护方案，把各项支护参数合理化，降低支护过程的时间消耗。针对这一工程而言，主要是对其本身的支护参数进行优化，通过传统理论分析模式确定锚杆和锚索的参数。

在其施工区域中，煤层直接顶属于细粒砂岩，基本顶是泥岩，整体比较稳定，适合应用锚杆进行支护，再通过锚索加强，所以可以利用弹塑性悬吊理论对其支护参数进行计算设计。①在锚杆长度方面，常见的长度整体相差并不大，因此必须综合考量巷道所在位置的岩层关系。通过分析锚杆与锚索预紧力扩散范围的连接程度可以得知，锚杆应力的影响区域会在长度的不断增加下增长，但到25m 之后增长幅度则会渐渐变低[4]。另外巷道顶部板与两帮都会在锚杆长度的不断增长下使巷道围岩的累计变形量减少，但也仅为25m。通过综合权衡人员和经济因素，选用25m 的最为适合。②在排距方面，通过对垂直应力场进行分析能够发现，每根锚杆和锚索形成的压应力区域都能彼此重叠，产生压应力区，这就表明，各类排距下的支护强度都能够达到围岩变形的基本控制需求[5]。因此在实际确定时只需要重点对成本和效果加以考虑即可。③在预紧力方面，当其数值更大的时候，锚杆和锚索形成的压应力区域也会更大，更能给围岩变形带来良好的控制效果。从煤层掘进经验来看，虽然较大的预紧力能够在支护控制当中产生极大促进作用，但也会给正常作业施工带来影响，比如对施工机具要求较高，同时为了确保质量往往需要增加时间消耗，所以实际计算预紧力时，还应从这几个因素着手考虑，确保在降低围岩变形的基础上，对顶板离层实现有效控制。

3.3 优化掘进和支护工艺组织

巷道掘进技术主要包含了破、装与支护，整体比较复杂，影响掘进速度的因素较多。实际在进行掘进技术流程优化时可以直接从这几方面着手。

3.3.1 控制影响时间的工序因素

原先煤矿工作面的生产活动主要是依靠人力，在基本实现机械化之后，所有人员的工作任务变得更加细致，因此很多常规工作则会受到人为因素的影响而导致工作时间变长。当前影响时间的主要工序因素包含了：一是人员在进入工作场地之后，和上一班的交接以及工具准备比较耗时；二是掘进及支护设备操作熟练程度不足；三是人员与设备在整体就位之后，掘进头工作区域中的操作缺乏秩序性，例如临时和永久性的支护之间在协调上容易发生一些冲突，从而需要消耗一定时间；四是工作面在生产过程中的实际生产条件也影响着工作进展，比如工作过程中出现了一定干扰，则会导致动力源失去动力，或者安全措施难以落实到位。除了这些因素，其他一些准备工作也会给掘进时间带来影响，比如带式输送机延长虽然并不会占用大量时间份额，但往往会因为管理或其他原因导致正常流程受到干扰。另外，一班工作结束之后的清理操作也会给巷道掘进速度带来一定影响。

因此，则应从这几方面着手控制优化：一是对交接班进行完善。例如对于工作面过度混乱的情况，应该特别强调落实各班的整理工作，不要单独消耗时间；或支护材料缺乏秩序，则应帮助操作人员建立起标准化意识；对于生产过程中的各类设备故障，应与检修班组之间加强协调。二是对割煤方式进行完善。①重视设备应用情况，在很多矿井中，时常出现人员对新型设备操作不精的现象，导致设备本身的生产效力未能充分发挥出来，为此必须充分落实设备操作培训工作，提升人员对新设备的关注度和操作熟练度。②在实际支护时，往往会因为巷道过高，导致很多操作无法得到充分落实，为此可以先截割上半部分，将残留的碎渣作为平台，便于后续帮部和顶板支护工作的展开[6]。③在支护衔接方面，则应在临时支护过程中，将机械和人工的工作内容协调好，尽可能减少临时支护时间消耗。永久支护时，通过充分应用机械作业时间，开展工作面等其他能够平行工作的环节，尽可能加快掘进速度。

3.3.2 优化永久支护

在该工程中，由于锚护机中部有立柱阻挡锚杆机，致使整个工序失去了连续性，而要将临时支护完全撤出则要消耗一定时间，所以则应对支护方案进行完善。在这之中，将中间锚杆去掉，并不会给顶板支护带来不良影响，并且还能使掘锚机难以打注中间锚杆的问题得到解决，使工序更加连贯，并减少时间消耗。

3.3.3 优化工序循环

在反掘段中，受到煤体较软、围岩较碎和瓦斯突出的影响，整体在使用每循环进尺1.3m，每班实施4个循环，每天进行8个循环的工序循环模式。但实际上，当顶班正常的时候可以将进尺量适当提升，所以针对其具体情况，可以将每循环的进尺量提高到2.3m，每班进行3 个循环，每天实施6 循环。这样一来，就可以实现对井下作业人员的合理分配，开展平行作业，降低人员的工作量，同时促进掘进速度提升。

4 结语

从整体分析情况来看，影响掘进速度的主要因素包含了支护设计以及生产过程管理。在实际优化时，通过综合分析巷道断面形状之后，发现当其形状是矩形的时候能够得到良好的较低的成本投入，同时受力环境也更佳，能有效减轻支护压力。在优化掘进速度时，主要从具体影响时间的工序因素着手，如人员交接班耗时、掘进及支护设备操作熟练程度、操作过程缺乏秩序性、工作过程存在一定干扰因素等，逐一制定出优化措施，进一步完善工序流程，强化永久支护。