大断面半煤岩巷道快速掘进技术分析

仝 凯

（汾西矿业集团灵北煤矿，山西 灵石 031302）

引言

近几年，随着矿井采掘深度增加，巷道掘进面临的不利因素影响更为凸显，给巷道掘进效率以及掘进安全的制约更为显著[1-2]。当矿井开采煤层较薄或者掘进巷道断面较大时，巷道往往需要破顶或者破底掘进，掘进效率往往较低[3-5]。

山西某矿11203 运输巷沿着11 号煤层掘进，巷道为典型的半煤岩巷道，巷道掘进过程中受巷道断面大、顶底板围岩岩性以及稳定性、地应力等各种因素制约，巷道掘进速度较慢。为此，文中就以11203 运输巷掘进为工程实例，根据巷道现场实际条件提出针对性截割破煤（岩）技术方案以及围岩支护方案，在保证围岩稳定、掘机安全前提下，提高巷道掘进效率，实现快速掘进目的。

1 11203 运输巷工程概况

山西某矿11203 运输巷沿11 号煤层顶板掘进，煤层厚度均值2.5 m、埋深450 m，受到瓦斯治理、通风等因素影响，巷道掘进断面较大，净高、净宽分别为4.5 m、3.45 m。11 号煤层直接顶为中砂岩，厚度3.5 m；基本顶为细粒砂岩，厚度14 m。底板为泥岩、细粒至中粒砂岩。具体11 号煤层及顶底岩层岩性参数如表1 所示。

表1 岩性参数

2 巷道掘进技术方案确定

2.1 掘进技术方案设计

11203 运输巷采用综掘方式，综掘机单刀掘进深度500 mm、循环进尺2 000 mm。在分析巷道围岩特点以及综掘机作业方式基础上，根据以往研究成果，提出下述两种综掘工艺方案[6-7]：

方案1：综掘机截割头从巷道左帮下部位置分四步开截割，在完成第一步截割后按照S 形轨迹移动，依次完成邻近的第二部分、第三部分及第四部分煤岩体截割。

方案2：将11203 运输巷掘进断面分为四个大致相同的部分，巷道开挖分四步进行，从巷道左帮底部开始起刀向右截割，至巷道下部截割完成后按照S 形从左到右完成上部煤体截割。具体掘进巷道两种截割方案示意图如图1 所示。

图1 巷道截割破煤（岩）方案

2.2 模拟分析

采用数值模拟软件对巷道截割方案进行分析，具体方案1 模拟结果如下页图2 所示。在第一部分开挖时巷道围岩巷帮出现一定程度应力集中，其中最大应力达到18.1 MPa，巷帮在侧向压力作用下容易出现较大位移，同时顶板处应力为0 且出现一定程度塑性区，顶板容易冒落，如下页图2-1 所示；在开挖第二部分时巷帮应力峰值由18.1 MPa 增至19.3 MPa，如下页图2-2 所示；开挖第三部分时拱顶位置出现不同程度应力集中，巷帮应力峰值由19.3 MPa 增至22.5 MPa，如图2-3 所示；开挖第四部分后围岩应力呈对称分布状态，应力集中区域有所减少，如图2-4 所示。巷道采用此种开挖方案时对围岩扰动较为明显，待巷道掘进完成且应力重新分布过程中，围岩容易出现较大变形甚至顶板出现塌方问题。

图2 方案1 围岩应力（MPa）分布云图

具体按照方案2 掘进时围岩应力分布云图如图3 所示。在第一步开挖时，巷道围岩出现一定程度应力集中，其中应力峰值位于巷帮位置，最大为8.2 MPa，明显低于方案1 中18.1 MPa 应力集中峰值，具体如图3-1 所示；第二步开挖时围岩应力进一步增加，由8.2 MPa 增至10.0 MPa，应力峰值向围岩深部转移，且围岩塑形区分布范围增加不明显，具体如图3-2 所示；第三步开挖后巷道巷帮围岩应力集中基本消失，帮到右侧上部帮角位置塑性区发育，容易出现垮落，具体如图3-3 所示；第四步开挖后围岩应力重新分布，应力峰值位置向围岩深部位置转移，塑性区有所增加，但是增加幅度不明显，具体如图3-4 所示。

图3 方案2 围岩应力（MPa）分布云图

从模拟结果得知，巷道掘进采用方案2 时，围岩应力集中程度更小且掘进对围岩扰动不明显，有助于提高围岩稳定性，进而提升围岩掘进效率。

2.3 围岩支护技术方案

围岩支护参数会直接影响支护耗时，进而影响掘进效率。依据11203 运输巷现场实际情况，采用合理的支护方案不仅可满足围岩控制需求而且可降低支护占用时间，为掘进赢取时间。11203 运输巷采用先截割底部后截割上部方式掘进，根据巷道掘进特点确定支护方案，支护断面如图4 所示。由于巷道底板为泥岩，在地应力及开挖等影响下，容易出现底鼓问题，因此在底板及帮角位置采用锚杆、锚索强化支护。

图4 巷道围岩支护方案（单位：mm）

具体围岩支护参数为：在综掘机截割破煤岩后，首先在巷道顶板及巷帮铺设网孔100 mm 金属网，规格2 350 mm×1 050 mm。顶板支护用预应力锚杆（规格22 mm×3 000 mm）配合钢拱架支护，间排距均为800 mm；在顶板锚杆位置按照45°外插角施工2 根中空注浆锚索（规格22 mm×4 500 mm），注入水泥浆。巷帮锚杆（规格22 mm×2 500 mm）间排距为1 000 mm、1 000 mm，上、下部锚杆与顶板、底板间隔分别为500 mm、800 mm。底板锚杆（规格22 mm×2 500 mm）按照间排距1 500 mm、1 500 mm 布置，帮角采用中空注浆锚索（规格22 mm×4 500 mm）进行加固。

3 结语

11203 运输巷为半煤岩巷道，巷道断面大且需要破底掘进，巷道掘进期间受到地应力、开挖扰动等影响，出现围岩失稳或变形量大等问题。为提高巷道掘进效率，根据11203 运输巷现场条件，采用数值模拟技术对综掘机截割破岩方案进行分析，并最终确定掘进方案。

依据现场围岩特征，对支护参数进行设计。现场应用后，11203 巷道掘进期间围岩始终保持稳定，未出现围岩失稳或者顶板冒落等不良情况。同时围岩变形较小，底鼓在15 mm 以内，底鼓不会给掘进及使用带来制约。巷道掘进进尺可保持260 m/月，在确保围岩稳定及掘进安全前提下，实现了快速掘进。