硬岩巷开拓掘进支护优化及机械配套研究

张 斌

（山西西山矿业管理有限公司，山西 太原 030053）

引言

煤矿生产能力与巷道掘进速度、巷道的成型质量、采煤工艺及所配套综采设备效率相关。目前，煤矿生产中巷道的掘进效率与采煤效率不匹配是导致巷道生产能力得不到质的提升的主要因素。受掘进机械设备的配套不合理、掘进工艺的设计不合理以及支护效果较差等因素，巷道掘进效率和最终成型质量并不能够对后期煤矿生产能力的提升起到促进作用[1]。本文将结合实践生产对巷道掘进工作面的支护方式进行优化，并为其配置合理、高效的快速掘进设备以保证巷道的快速掘进和最终巷道的成型质量。

1 3 号煤层工作面概况

本文以3 号煤层所属工作面巷道的掘进为例开展研究。经探测，该工作面的平均倾角为5°，所蕴藏煤层的平均厚度为7.63 m，整个工作面的含煤比例为6.68%。本工作面岩层的相关参数如表1 所示。

表1 3 号煤层所属工作面关键参数

3 号煤层所属工作面的含水层主要为含裂隙含水层和石灰岩岩溶裂隙含水层组。经预测可知，该工作面的最大涌水量为0.5 m3/h。结合工作面的实际情况，该煤矿采用立井开拓的方式进行开采，并设置有主井、副井和回井三个立井[2]。目前，该工作面巷道主要采用爆破掘进方式进行掘进，并采用手持风动凿岩机进行打眼。从整体上讲，目前该工作面巷道掘进主要表现为劳动强度大、作业环境差、安全系数低等问题。而且，随着巷道的不断延伸直接影响整个工作面排渣、倒矸的能力。

3 号工作面掘进目前采用锚杆支护方式进行支护。其中，顶板锚杆采用直径为22 mm、长度为2 200 mm 的高强应力扭矩锚杆进行支护，锚杆的间距为800 mm、排距为700 mm；两帮采用直径为20 mm、长度为2 000 mm 的右旋全螺纹钢锚杆进行支护，帮锚杆的间距和排距均为700 mm。对于当前的支护参数而言，由于锚杆支护密度较大且顶部和两帮锚杆的规格型号不一致导致支护实施的效率较低，工人的劳动强度较大，其成为实现快速掘进的主要制约因素。

综上，为实现该工作面的快速掘进任务，本文将通过对其支护方式进行优化，并为其配套高效的机械设备以保证巷道的快速、安全掘进，并保证最终巷道成型质量满足实际生产需求。

2 硬岩巷快速掘进支护优化

硬岩巷道在掘进过程中，受到开挖的影响，由于其围岩应力发生变化，巷道围岩为达到一个新的平衡，顶板和两帮巷道会出现一定的变形。当变形处于不可控制范围内时，极易导致事故的发生，严重影响巷道的掘进任务。同时，实现对掘进巷道的合理化布置也可保证支护实施效率，为间接提高巷道掘进效率奠定基础。因此，本节将本着巷道围岩变形控制在合理范围并保证快速掘进任务两方面对支护进行优化。

2.1 支护方案的提出

经分析，3 号煤层所属工作面顶底板围岩条件比较稳定且对应的岩层平均硬度为5。因此，本节将采用悬吊理论对锚杆支护参数进行合理化计算。

经计算可得：适用于3 号煤层工作面巷道支护的锚杆长度为2 200 mm，锚杆直径为22 mm，锚杆预紧力为60 kN；锚索直径为17.89 mm，长度为6 000 mm。

为解决原支护方式下作业强度较大且效率低的问题，本文将采用锚杆锚索联合支护方式对巷道进行支护，并重点对锚杆间距和排间距进行优化，对应的三种支护方案如下：

方案一：顶锚杆间距为1 100 mm，排距为800 mm；两帮锚杆的间距为1 000 mm，排距为800 mm；锚索间距为2 600 mm，锚索排距为2 400 mm。

方案二：顶锚杆间距为1 100 mm，排距为800 mm；两帮锚杆的间距为1 400 mm，排距为800 mm；锚索间距为2 600 mm，锚索排距为2 400 mm。

方案三：顶锚杆间距为1 400 mm，排距为800 mm；两帮锚杆的间距为1 000 mm，排距为800 mm；锚索间距为2 600 mm，锚索排距为2 400 mm。

2.2 优化支护方案的确定

为最终确定适用于3 号煤层工作面巷道掘进的最终支护方案，本节将基于FLAC3D 软件对不同支护方案对应的支护效果进行对比。根据3 号煤层工作面的地质条件和岩层的相关属性建立如图1 所示的模型。

图1 数值模拟模型

如图1 所示，所建立的数值模拟模型的高度为36 m，宽度为36 m，深度为40 m。根据地质条件的应力参数对模型进行设置，而后对不同支护方案下对应顶板、两帮的应力进行仿真分析，仿真结果如表2 所示。

表2 不同支护方案对应的支护效果对比 MPa

如表2 所示，方案一对应3 号煤层工作面巷道支护后顶板和两帮竖直集中应力的最大值均最小。因此，本工程选用方案一对掘进巷道进行支护。

3 快速掘进机械配套研究

影响巷道快速掘进的因素众多，包括设备问题、工艺问题、管理问题和自然条件。本小节针对设备问题对3 号煤层快速掘进设备的机械配套进行研究。

该工作面巷道主要采用爆破掘进方式进行掘进，并采用手持风动凿岩机进行打眼。为解决其效率低的问题，本工程将采用CMJ17HT 型的掘进钻车进行打眼，以提高打眼效率，同时降低工作人员劳动强度。

为提升巷道的排矸、装岩速度和效率，本文工程将采用履带式液压挖斗装载机替代耙矸机对巷道岩石进行清理，从而提高整个工作面的装岩速度；同时，为提升排矸速度，本工程将采用梭车与皮带转运机相结合的方式对岩石进行装载、运行。整个掘进工作面所配套机械的作业如图2 所示。

图2 掘进工作面机械配套作业

4 结语

实现工作面的快速掘进，使其能够与煤层的高效、安全开采相匹配是提高煤矿生产能力的关键。针对影响硬岩巷道快速掘进的问题，本文主要对巷道支护方式进行优化，从而在保证巷道安全生产的同时提高作业效率，降低工作人员劳动强度；对掘进巷道配套机械设备进行匹配性选择，从而达到提升巷道掘进效率的目的。通过上述两项措施，最终实现对煤矿巷道快速掘进。