复杂条件下巷道快速掘进技术研究

任兆星

(汾西矿业正旺煤矿,山西 孝义 032300)

随着煤炭采掘深度不断增加,回采巷道掘进受地质构造、瓦斯、水害等影响更趋明显,不仅制约巷道掘进效率,而且存在一定的安全风险[1-2]。随着大功率、先进开采设备的应用推广,采面推进速度明显增加,矿井普遍面临采掘接替紧张的问题。如何实现复杂条件下巷道快速掘进,是煤炭开采期间需要重点解决的问题[3]。众多技术人员对巷道快速掘进技术展开研究,其中刘永强[4]结合3506运输巷现场条件,提出引进MBZ260M掘锚一体机提高巷道掘进效率,并从掘锚一体机结构组成、施工方案以及现场应用效果等进行分析;任俊[5]针对四老沟矿1021运输巷道现场情况,从改进掘进机截割工艺、增设液压前探梁等方式提高破岩效率并维护迎头顶板稳定,调整锚杆施工顺序及位置等提高围岩支护效率;唐小波[6]针对红柳矿掘进区域煤层厚度变化大、地质构造发育等问题,提出通过快速截割、设定合理支护参数、优化人员组织以及提高辅助运输效率等提高巷道掘进效率;王学强等[7]提出将智能化快速掘进工艺应用到15212工作面巷道掘进中,构建的智能快速掘进系统包括掘锚一体机、锚杆钻机、变频带式输送机以及桥式转载机等,并通过先进的控制系统、组织安排等实现锚掘、运输等环节平行作业,现场应用后巷道单体掘进进尺可达到120 m,月进尺可超过2 700 m.

上述研究成果表明,提升掘进巷道综合机械化水平、引进先进设备、合理制定支护参数实现围岩快速支护以及合理进行施工组织安排等是实现巷道快速掘进的关键所在。

山西某矿6503运输巷掘进区域条件复杂,受顶板破碎、瓦斯涌出、巷道断面大等多重因素影响,文章结合6503运输巷现场条件并结合前人研究成果,提出通过合理布置设计巷道支护参数、引起先进掘进及支护设备等方式提高巷道掘进效率,以达到快速掘进目的。

1 工程概况

6503运输巷沿着回采的5号煤层底板掘进,掘进区域内煤层赋存较为稳定,煤层厚度均值7.8 m、埋深590 m,煤层倾角2°～15°。5号煤层结构较为复杂,中上部有2～5层泥岩、炭质泥岩夹矸,夹矸总厚度为0.56～1.27 m,煤层顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩以及石灰岩为主。

6503运输巷设计为矩形断面,净宽、净高分别为5.8 m、3.6 m,设计掘进长度为2 980 m.掘进区域内水文地质条件较为复杂,在巷道掘进前通过物探及定向长钻孔等方式对富水区进行探测、疏排,预计巷道掘进期间涌出量较小;根据物探成果及邻近巷道掘进揭露资料显示,6503运输巷在掘进期间会揭露多条断层,断层影响区围岩较为破碎。结合6503运输巷现场实际条件,分析制约巷道快速掘进的因素主要为:地质赋存条件较为复杂,6503运输巷埋深较大,在巷道掘进期间容易出现围岩大变形、冒顶、片帮等问题,对巷道围岩支护强度有较高要求,从而导致巷道支护耗时较长;截割破岩、运输、锚杆索支护等工作量大,若采用的设备机械化、自动化程度偏低,不仅劳动强度大而且效率不高。

2 巷道快速掘进技术研究

由于6503运输巷为断面较大的矩形巷道,顶板及巷帮均为承载能力及稳定性相对较差的煤层,在巷道掘进期间容易出现顶板、巷帮变形破坏问题。采用的掘进工艺不仅需满足快速掘进要求,还要确保围岩稳定及现场施工安全,在可靠临时支护、永久支护等保护下实现掘—支—运等工序高效运行。为实现6503运输巷快速掘进,提出引进锚掘一体机机组施工。对6503运输巷采用的围岩支护参数,以及掘进工艺重点分析如下。

2.1 围岩支护设计

6503运输巷围岩支护设计依据组合梁理论、悬吊理论等,通过工程类比法综合确定,具体设计的运输巷支护断面见图1.顶板采用锚杆、锚索及金属网支护,巷帮采用锚杆、金属网支护。顶板支护用锚杆规格为Φ22 mm×2 500 mm的螺纹钢锚杆,每排布置8根,间排距为800 mm×800 mm,锚杆采用2支Z2360树脂锚固剂加长锚固,锚杆施加预紧力矩为240 N·m;锚杆配套的托盘规格为150 mm×150 mm×8 mm;一排锚杆间采用长度5 700 mm、宽度140 mm的T型钢带连接,钢带上间隔800 mm有锚杆孔;护表用的金属网由8号铁丝编制而成,规格为6 000 mm×1 000 mm,网孔规格为40 mm×40 mm.

图1 巷道支护设计图(单位:mm)

顶板锚索为规格Φ21.8 mm×8 300 mm的钢绞线,采用3支型号Z2360树脂锚固剂锚固,每排布置4根,间排距为1 400 mm×800 mm,施加210 kN预紧力。

巷帮采用锚杆、金属网支护,使用的锚杆规格、锚固方式及预紧力等参数与顶板锚杆一致,巷帮锚杆间排距为800 mm×800 mm,使用的金属网由8号铁丝编制而成,规格为6 000 mm×1 000 mm,网孔规格为40 mm×40 mm.

2.2 掘进技术

在6503运输巷使用的快速掘进机组为EJM340/4-2H掘锚一体机,配套的其他设备包括锚杆转载机(MZHB-1200/20)、迈步式机尾、带式转载机等构成,具体使用的EJM340/4-2H掘锚一体机技术参数见表1.锚杆转载机可实现EJM340/4-2H掘锚一体机后方锚杆快速补打,提高围岩支护效率;迈步式机尾可实现自动行进、自动调偏、连续运输等功能,实现带式输送机快速移动;带式转载机可实现快速转运,提升运输效率。

表1 掘锚一体机技术参数

支护环节耗时在巷道掘进中占比较大,提高支护效率可在一定程度上增加掘进效率。6503运输巷采用EJM340/4-2H掘锚一体机不仅可实现一次成巷,而且也实现了截割、围岩支护及运输等环节的平行作业,从而可显著提升掘进效率。根据6503运输巷围岩支护设计参数以及现场地质条件,提出通过锚掘一体机、锚杆转载机(MZHB-1200/20)前后独立作业,实现围岩支护平行作业。具体围岩支护工序作业安排见图2.

图2 支护安排示意(单位:mm)

锚杆转载机(MZHB-1200/20)紧跟锚掘一体机实现前后平行,达到提升围岩支护效率的目的。

锚掘一体机的支护工作主要为:顶板1～3号、6～8号锚杆,由巷帮向中部位置施工,其中1号及8号锚杆均有15°外插角;顶板2～3号锚索。巷道两帮靠近1～3号锚杆,其中最上部锚杆有15°外插角。

锚杆转载机支护工作主要为:顶板中部的4～5号锚杆、顶板靠近两帮的1号及4号锚索;巷帮下部的4～5号锚杆,其中5号锚杆有15°外插角。

3 现场应用效果分析

在6503运输巷掘进期间布置测站监测围岩变形量,以便考察围岩控制效果,具体结果见图3.从监测结果看出,在整个监测周期内(120 d)运输巷顶板、巷帮变形量整体较小,最大分别为35 mm、28 mm,表明现场使用的围岩支护方式、支护组织安排等可满足巷道围岩控制需要。

图3 6503运输巷围岩变形监测结果

6503运输巷采用快速掘进工艺后,围岩支护时间时明显缩短,月掘进进尺可达到480～560 m,6503运输巷设计掘进长度为2 980 m,整条巷道掘进耗时7个月即可完成,大幅提升了巷道掘进效率,为采面早日投产赢得了时间。

4 结 语

实现6503运输巷快速掘进可缓解矿井采掘接替紧张局面,结合现场情况从巷道围岩支护设计、巷道掘进工艺以及围岩支护安排等方面提出巷道快速掘进技术方案。综合组合梁理论、悬吊理论,通过工程类比法确定巷道围岩支护参数;通过EJM340/4-2H掘锚一体机、锚杆转载机(MZHB-1200/20)、迈步式机尾、带式转载机等相互配合实现截割、围岩支护、转载运输等高效进行,同时通过合理分配掘锚一体机、锚杆转载机支护任务,不仅可实现围岩变形有效控制而且可提高围岩支护效率。

现场应用后,6503运输巷掘进期间围岩始终保持稳定,未出现大变形或者顶板冒落等征兆,监测顶板、巷帮最大变形量分别为35 mm、28 mm.采用先进掘进设备后,运输巷掘进、支护及运行效率均明显提升,6503运输巷耗时7个月即可完成掘进,实现了安全快速掘进。