掘锚机全断面一次成巷技术应用研究

张雷雷

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司慈林山煤矿，山西 长治 046000）

我国是煤炭资源使用大国，由于煤炭资源的大量开采，赋存条件较好的煤炭资源量越来越少，因此埋藏深、赋存条件差的煤炭资源也成为开采目标[1-2]。在复杂地质条件下开采，受断层、褶曲、陷落柱等构造影响，巷道掘进困难，支护难度大，顶板破碎，容易出现安全事故[3]。近年来，随着巷道全断面掘进锚护一次成巷技术的不断进步，掘锚机得到煤矿的广泛应用，复杂地质条件下巷道快速掘进得到安全保障。慈林山煤矿15105 工作面地质条件较为复杂，构造发育，存在大量小型断层。该工作面运输巷在掘进过程受断层影响，顶板破碎，对巷道的掘进速度以及支护安全造成严重影响。掘锚机全断面掘进锚护一次成巷技术不仅能够大幅提高巷道的掘进速度，保证工作面正常接替，还解决破碎顶板下的支护难题。

1 工作面概况

15105 工作面运输巷位于15 采区，主采15#煤层，埋深500 m，该巷道用于工作面进风、行人、皮带安装。巷道设计长度为974.1 m，现已施工320 m，余654.1 m。巷道为矩形断面，净高5 m，净宽5 m，净断面20 m2。巷道支护形式为锚网索支护，使用Φ20 mm×2000 mm 左旋螺纹钢高强锚杆、Φ17.8 mm×8000 mm 钢绞线锚索。顶板锚杆间排距布置为800 mm×1000 mm，中部4 根锚杆垂直顶板打设，巷道肩窝处锚杆呈75°打设，锚杆预紧力设计为50 kN；巷帮锚杆间排距布置为1000 mm×1000 mm，垂直巷帮打设，从顶板以下500 mm 开始打设，锚杆预紧力设计为50 kN。顶板锚索呈品字形布置，排距为1000 mm，第一排锚索打设于巷道中心，第二排锚索分别打设于巷道中心向两帮1250 mm 处，锚索预紧力设计为120 kN。

2 围岩赋存及其物理参数测定

15105 工作面运输巷埋深为500 m，地质勘探资料显示该巷道前方地质条件复杂，掘进过程中将揭露21 条断层，断层落差最小为0.5 m，最大为6 m，对巷道掘进以及支护安全影响较大，因此巷道顶底板围岩岩性及其物理参数的掌握就尤为重要[4-5]。为保证掘锚机掘进锚护一次成巷技术在该巷道的顺利应用，选择合适位置对巷道顶底板围岩施工取芯钻孔，并测定其物理参数，见表1。

表1 围岩赋存及其物理参数测定成果

15105 工作面运输巷为沿煤层顶板掘进巷道，围岩岩性自巷道顶板依次往上分别为泥岩、中粒砂岩、砂质泥岩、粉砂岩，厚度分别为0.8 m、5.4 m、2.5 m、4.4 m；自巷道底板依次往下分别为砂质泥岩、细砂岩，厚度分别为6.6 m、10.4 m。巷道伪顶、直接顶厚度为6.2 m，围岩物理强度较低，受断层影响，顶板支护困难问题难以解决。

3 掘锚机掘进锚护一次成巷技术

15105 工作面运输巷净宽为5 m，顶板承压面积大，并且受构造发育影响，顶板应力来源复杂。通过对围岩进行取芯测定后发现巷道顶板围岩强度较低，容易受采掘活动影响造成围岩变形。使用综掘机掘进无法及时对顶板进行支护，容易造成顶板冒落，给现场施工人员带来安全风险[6-7]。综合考虑各因素，拟采用掘锚机全断面掘进锚护一次成巷技术改进巷道施工工艺。该技术主要有以下优势：

（1）掘锚机可以在掘进完成后无需将设备后退，立即可以对顶板支护，能够有效提高巷道的施工速度，同时保证巷道围岩的整体性，减少变形。

（2）掘锚机本身具备更加先进的临时支护设备，能够快速对顶板进行临时支护，保证工人在顶板破碎区域无需承受顶板冒落的风险，更加安全。

（3）掘锚机的一次成巷施工工艺能够大幅减少现场工人的作业强度，巷道成型速度快，成型质量好，不仅能够减少人工成本的投入，还能加快工作面的采掘接替，为矿井创造效益。

4 数值模拟及参数优化

MB670 型号掘锚机适用于地质条件复杂巷道的快速掘进，能够控制巷道顶板间距为0.7～1.5 m，并且能够减少对巷道底板的破坏程度。根据MB670型号掘锚机的基础参数，在采用掘锚机全断面掘进锚护一次成巷技术时，需要对巷道围岩变形情况进行数值模拟。

为保证使用掘锚机全断面掘进锚护一次成巷技术后巷道的成型质量，进行了数值模拟，测试成巷后围岩变形情况。

本次模拟采用FLAC3D仿真计算软件，根据15105 工作面运输巷地质条件，使用该巷道围岩岩性及测定得到的相关物理参数建立数值模型，测试不同支护参数下巷道围岩的变形情况，选择最适合的支护方案。首先进行不同锚杆长度对巷道围岩变形控制效果的模拟测试，结果如图1 所示。由图1可知，当锚杆的支护长度分别为1.8 m、2 m、2.2 m、2.4 m 时，巷道顶板围岩的下沉量分别为57 mm、50 mm、37 mm、33 mm。原支护方案中，锚杆的支护长度为2 m。根据数值模拟结果发现，当锚杆的支护长度越长，巷道顶板围岩稳定性越高，但支护长度为2.2 m 与2.4 m 时，巷道顶板下沉变化差距不大，因此锚杆的支护长度选择2.2 m 最佳。

图1 顶板下沉量随锚杆长度变化曲线图

进行锚杆、锚索不同支护排距对巷道围岩变形控制效果的模拟，结果如图2 所示。由图2 可知，当锚杆、锚索的支护排距分别为0.7 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m 时，巷道顶板下沉量分别为60 mm、63 mm、72 mm、79 mm。数值模拟结果表明，锚杆、锚索支护排距越小，巷道顶板围岩稳定性越高，但锚杆、锚索支护排距为0.7 m 和0.8 m 时，巷道顶板下沉差距不大，因此锚杆、锚索支护排距选择2.2 m 最佳。

图2 顶板下沉量随锚杆、锚索排距变化曲线图

5 应用效果

在15105 工作面运输巷采用掘锚机全断面掘进锚护一次成巷技术支护参数后，巷道的掘进速度由4 m/d 提高至10 m/d。对成型巷道现场围岩进行了变形监测，监测结果表明，巷道成型后1 个月巷道顶板下沉量为39 mm，巷帮移近量为52 mm，比原综掘机掘进时围岩变形量分别降低58.6%和63.7%。