屯兰矿18405 半煤岩巷快速掘进支护参数优化研究

王 强

（西山煤电集团有限责任公司屯兰矿，山西 太原 030053）

引言

井下巷道是井下开采的生命线，担负着煤矿的井下运输、行人和通风等重要任务，巷道不通则采煤工作无法正常进行[1]。随着综采机械化的快速发展及应用，工作面的掘进进尺和效率也大幅增加，我国矿井采煤工作面年推进长度已经超过了3 000 m，推进速度在不断增大，煤层巷道掘进准备时间更短。因此，巷道的快速掘进是矿井实现安全高效生产的重要保障。随着综采自动化水平和技术的进步，我国的综采速度和效率显著提升。对于煤矿生产而言，除了关键的煤层开采外还包括有煤矿建设、回采巷道的掘进任务，而煤矿建设和回采巷道的掘进速度无法与综采速度相匹配[2-3]。尤其是对于岩巷，由于岩层硬度较大、掘进设备自动化水平低以及技术落后等原因掘进效率远滞后于煤层的开采效率。因此，通过对掘进设备及技术的改进，应配套合理有效的支护方案提升巷道的掘进效率和最终的巷道成型质量[4-5]。本文重点开展半煤岩巷道的快速掘进技术研究，并为其匹配最佳的支护方案。半煤岩巷道与常规岩巷和煤巷有本质的区别，该类型巷道在掘进时为保证巷道的高度需要对煤层或者岩层额外掘进一部分才能够满足要求。针对半煤岩巷道可采用挑顶和卧底两种掘进方式实现对巷道的掘进，具体掘进方式需结合矿井的实际情况综合确定。

1 矿井概况

屯兰矿位于山西省古交市西南6 km，井田面积73.3 km2，可采储量6.28 亿t，设计年生产能力500 万t。18405 工作面位于该矿南五盘区，主要开采太原组8#煤层，煤层厚度1.6 m～3.9 m，平均厚度2.53 m。煤岩层平均总厚度2.74 m，煤质为焦煤和瘦煤。18405 胶运巷的掘进为例开展研究，该巷道倾角范围为0°～3°，该巷道掘进完成后为综采工作面，该工作面的煤层平均厚度为1.35 m，属于薄煤层；煤层的平均硬度为3.5。经探测，该工作面瓦斯的相对涌出量为0.12 m3/t，绝对涌出量为1.85 m3/min。18405 工作面煤层的顶底板情况，如表1 所示。

表1 18405 工作面巷道顶底板结构图

煤层和岩层的性质是影响半煤岩巷道掘进方式的主要因素。为保证巷道的掘进效率，在实际掘进任务时应尽可能地避免与相对较硬或者相对较软的岩层或煤层相接触。对于巷道的围岩性质而言，一般通过岩层的单轴抗压强度、节理间距、岩芯质量指标、节理条件以及地下水条件综合分析，最终通过RMR 值对岩层的性质进行反映。通过勘测，18405 工作面基本顶细粒砂岩对应的RMR 值为40；煤层的RMR 值为27；底板粉砂岩的RMR 值为42。经分析可知，18405 工作面顶板细粒砂岩和底板粉砂岩的RMR 值为煤层RMR 值的1.5 倍，说明18405 工作面的顶底板条件良好且简单，具备实现快速掘进的条件。

2 半煤岩巷道掘进方式的确定

对于具备快速掘进条件的半煤岩巷道，巷道的层位选择尤为重要，巷道层位形式的确定需遵循如下原则：所确定巷道的层位形式需综合考虑工作面综合机械化开采的要求；所确定巷道的层位形式需兼顾后期巷道的支护形式，保证其符合快速掘进的要求；所确定巷道的层位形式能够保证巷道一次完成成型和支护。

半煤岩巷道可采用的掘进方式包括有挑顶巷道掘进、卧底巷道掘进以及挑顶兼卧底巷道的掘进方式。为保证掘进速度及效率最佳，本节将基于FLAC3D软件对不同掘进方式下的巷道的应力进行仿真分析。根据18405 工作面的顶底板情况建立仿真模型，模型中从上到下分别为细粒砂岩、煤层和粉砂岩。根据实际勘测的岩层和煤层参数对模型中的参数进行设置。设置完毕后，对不同层位形式下巷道开采后的应力情况进行仿真分析，最终选择应力最小层位进行开采。不同层位巷道开采时的应力仿真结果，如图1 所示。

图1 不同层位巷道开采时的应力云图

如图1 所示，图1-1 中巷道上方两个角落处应力数值较大且为应力集中现象，而在下方两个角落处的应力较小并未出现应力集中现象；图1-2 中巷道上方两个角落处应力数值较小并未出现应力集中现象，而在下方两个角落处的应力较大且存在应力集中现象；图1-3 中巷道上下两放四个角落的应力值均较大且均出现了应力集中现象。因此，采用挑顶层位巷道开采时仅需对巷道顶板两个角落处进行支护；采用卧底层位巷道开采时仅需对巷道底板两个角落处进行支护；采用挑顶兼卧底层位巷道开采时需对巷道四个角落及巷道进行支护。综合考虑快速支护的条件和快速掘进的要求，顶板支护技术更加成熟且便于实施，本工程将采用挑顶层位的方式对巷道布置。

3 半煤岩巷道掘进方案及支护设计

针对半煤岩巷道可选择采用掘进机、盾构机的现代化机械掘进方案，还可以采用以传统钻眼爆破的掘进方式。为提升巷道的掘进效率和安全性，实现巷道的快速掘进，以掘进机为主的巷道掘进方式与钻眼爆破掘进方式相比具有效率高、人员强度低以及安全性高的优势，本工程采用以掘进机为主的巷道掘进方式。结合对当前掘进机性能的研究，选用EBZ-260H掘进机对巷道进行掘进，同时采用型号为CMM2-21的液压锚杆钻车对巷道进行锚杆支护。为保证巷道的掘进效率，本工程采用“三八”制的工作制度，其中两班为掘进任务，另外一班为检修任务。针对半煤岩巷道顶板，本工程采用常规的锚杆与锚索联合手段进行支护，所选型锚杆的长度为1 800 mm，直径为18 mm，锚杆间排距离为1 000 mm，锚杆间距为800 mm；对应锚索直径为15.24 mm，锚索长度为7 300 mm，每平方米布置锚索的数量为4 根。半煤岩巷道断面支护示意图如图2 所示。经实践表明，18405 巷道采用以EBZ-260H 掘进机为主的掘进方案掘进时，每月巷道的掘进量为362.5 m；而采用传统掘进方式每月巷道的掘进量仅为136 m。

4 结论

巷道掘进效率与工作面采煤效率不匹配严重制约矿井的安全高效开采。为此，实现煤矿巷道的快速掘进尤为重要。针对18405 巷道为例采用挑顶层位的方式对巷道进行布置，并采用以EBZ-260H 掘进机为主的掘进方式对巷道进行掘进。与此同时，为保证巷道掘进的安全性重点对巷道顶板采用锚杆锚索联合方式进行支护。实践表明，18405 巷道的掘进效率为普通掘进方式的三倍，实现半煤岩巷的的快速掘进。