大断面煤巷快速掘进工艺及参数优化研究

张喜文 段其涛 徐祝贺

（1.神华神东煤炭集团石圪台煤矿，陕西省榆林市，719000；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

1 引言

神东煤炭集团作为我国最大的煤炭生产基地，截至2012 年11 月13 日，累计生产原煤202.24 Mt／a；截至12月31日，累计生产商品煤213.77 Mt／a。随着产能的不断扩大，对采掘巷道的快速掘进提出了更高要求，以原有掘进机为代表的掘进模式已不能满足神东矿区快速掘进的现状，正在被连续采煤机+梭车+锚杆机为代表的高效掘进配套设备和技术所替代。在支护设计上，广泛采用高强度预应力锚杆+锚索联合支护技术。进一步探索研究了大断面煤巷合理支护参数设计和掘进工艺的优化，实现了煤巷的快速掘进，为神东矿区建设世界一流煤炭企业起到重要的技术保障作用。

2 工作面概况

2.1 31203主辅运输平巷概况

石圪台煤矿作为神东煤炭集团的主力生产矿井之一，2012 年产量达12.12 Mt，掘进进尺56721.3m，主采煤层为12煤、22煤和31煤。

31203工作面是31 煤水平二盘区掘进的第三个工作面，采用连续采煤机沿煤层底板进行双巷同时掘进。其北侧为31 煤回风大巷，西侧为31202工作面，其余方向均为实体煤，四周无采动影响，巷道布置如图1所示。地面标高1184.1～1234m，煤层底板标高为1087～1096m，埋深96～138m，属于浅埋煤层开采，所掘巷道均为矩形，具体巷道断面情况见表1。

表1 31203工作面双巷掘进主要巷道断面

2.2 地质基本概况

31203工作面煤厚3.7～4.4 m，煤层总体趋势为东高西低，倾角1°～3°。直接顶为灰白色细粒砂岩、中粒砂岩、灰色粉砂岩，具水平层理，厚度1.8～12.5m，平均厚度3.5m；基本顶为灰色砂质泥岩、粉砂岩，灰色厚层状，不显层理。中间夹有1.12m 灰白色细砂岩，厚度8.15～25.6m，平均厚度15.2m；直接底岩性为灰色砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩，灰色夹泥岩薄层及煤线，含植物叶片碎屑化石，厚度3.6～14.1 m，平均厚度8.7m。

图1 31203工作面双巷掘进巷道布置示意图

从运输平巷开口819 m 至开切眼范围内，工作面上部为原天隆22 煤采空区和22402 采空区。采空区内积水量约1.5×106m3，预计单头正常涌水量为50m3／h，最大涌水量为120m3／h。掘进时应先探后掘，保证水平方向安全距离30 m，垂直方向安全距离15 m，并加大工作面排水能力，做好防排水工作。

在工作面整个掘进过程中，绝对瓦斯涌出量为0.32m3／min，甲烷含量0.42～0.56m3／t，CO2含量0.028～1.23 m3／t，属低瓦斯采区，对掘进和回采无大的影响。

3 支护参数设计

支护参数的设计参考了文献 ［5-9］，具体如下：

3.1 锚杆参数设计

（1）顶锚杆长度

按广义悬吊理论，顶锚杆长度为

式中：L——锚杆长度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系数，一般取2；

L1——锚杆锚入稳定岩层深度，一般按经验取0.3m；

L2——锚杆在巷道中的外露长度，不超过0.05m。

其中：

B 为巷道开掘宽度，该工作面巷道最大宽度为机头硐室段，取5.6m；kx为顶板岩性系数，Ⅲ类中等稳定岩层，取1.1；fr为顶板岩层普氏系数，粉砂岩取4.2。

将上述各参数代入式 （2）中进行计算，可得H=0.606m。则顶锚杆长度为L≥1.5×0.606+0.3+0.05=1.562m。

（2）锚杆直径

由：

得锚杆直径的计算公式为

式中：P——锚杆杆体的承载力，螺纹钢锚杆 （16 Mn）锚固力取86kN／根；

∂t——杆体抗拉强度，螺纹钢锚杆 （16 Mn）抗拉强度取520 MPa。

则：

考虑直接顶岩性及上覆采空区因素，选用ø18 mm×2100mm 的左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，满足支护要求。

（3）锚杆间排距D

锚杆间排距的几何平均数为

式中：k锚——锚固方式系数，加长锚取1.2；

k护——护顶方式系数，钢筋网片取1.05；

I——岩体完整性系数，查询GB50021—2001《岩土工程勘察规范》和GB50218—1994 《工程岩体分级标准》，取0.75；

fr——围岩普氏系数，顶板粉砂岩取4.2。

将以上数据代入式 （4）中，得D =1.06 m；取安全系数K 为1.13，可得顶锚杆间距为1.2m，每排布置5根锚杆。

通过悬吊理论公式进行验算：

式中：a——锚杆间排距，m；

P——锚杆设计锚固力，取86kN／根；

H——冒落拱高度，取0.606m；

r——被悬吊粉砂岩的重力密度，取23kN／m3；

因此，选择锚杆间排距为1.2 m×1.0m，符合巷道支护要求。

3.2 锚索参数设计

锚索参数设计具体如下：

（1）锚索锚固长度La

锚索采用具有一定弯曲柔性的钢绞线，通过预先钻出的钻孔，以一定的方式锚固在围岩深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强。锚索应布置在坚硬顶板的基本顶内，因此，锚固长度La应满足：

式中：La——锚索的锚固长度，mm；

d1——锚索体直径，取17.8mm；

fst——锚索体设计 抗拉强度，取1860 N／mm2；

fcs——锚索与锚固剂的设计黏结强度，取1.0N／mm2；

k——安全系数，取1.5。

将有关数据代入式 （6）中，可得La=1241.5 mm。

根据工程实践及锚固剂生产规格，取锚固长度为1500mm，使用3根CK2350型树脂锚固剂。钻孔直径为28mm，则实际锚固长度为

（2）锚索长度L

按悬吊理论计算锚索长度参数，首先确定潜在破坏范围，h=1.5 B。其中，B 为巷道宽度，h=1.5×5.4=8.1m。按不完全垮落考虑，其潜在的垮落范围为h′，锚索最小长度按不完全垮落计算，则式中：La——锚索锚固长度，取1.5m；

h′——3.5m 厚的中粗粒砂岩直接顶；

L1——锚索外露长度，根据经验取0.15m。

将以上参数取值代入式 （7）中，得L索min为5.15m，则设计锚索长度为6.5 m （安全系数为1.26），满足支护要求。

（3）锚索排距a

根据锚索加固机理，其间距的验算公式为

式中：L——锚索间距，m；

B——巷道最大垮落宽度，5.6m；

H——巷道垮落高度，最严重垮落高度为锚杆长度，取2.1m；

r——岩体重度，2.35kN／m3；

L1——锚杆排距，1.0m；

F1——锚杆锚固力，50kN；

F2——锚索极限承载力，取337kN；

θ——锚杆与巷道顶板的夹角，90°；

n——锚索排数，取2。

将上述数据代入式 （8）中，得L ≤2×33.7／［5.6×2.1×2.35-2×5×sin90°／1］≈3.82 m。设计中取锚索间距为2 m，锚索排距3.0 m，满足要求。

4 支护方案的确定

在理论计算及数值模拟 （略）的基础上，针对31203工作面主辅运输平巷的具体情况，设计出具体的支护方案，如图2所示。

顶锚杆采用ø18mm×2100mm 的左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，树脂锚固。每根锚杆使用两支CK2340树脂锚固剂，锚固长度为800 mm；顶锚杆的预紧力矩不低于120N·m，其中靠煤帮的顶锚杆与巷道两帮的距离均为300mm。

顶锚索采用ø17.8mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线。锚索眼深6.2 m，锚索长度6.5 m，钻孔直径28mm；采用3支CK2350树脂锚固剂进行加长锚固，锚固长度为1500 mm；采用与ø17.8mm 钢绞线相配套的锁具锁紧，预紧力不得低于140kN。

5 双巷快速掘进工艺及优化

5.1 工作面主要设备及参数

31203工作面双巷快速掘进采用与12CMI5-10D 型连续采煤机相配套的设备，其具体的参数见表2。

5.2 掘进工艺及施工方法

5.2.1 掘进工艺

如图3所示为31203主辅运平巷双巷快速掘进工艺。其具体掘进工艺如下：作业前安全检查 （敲帮问顶、检测瓦斯等气体浓度），连续采煤机1进入已支护好的31203 辅运平巷进行切槽与采垛作业，完成掘进和落煤工艺，梭车3往返于连续采煤机1和破碎机6之间，完成运煤工序；破碎机6将大块煤破碎，经带式输送机5运出连续采煤机掘进15m 达到一个循环进度后，调机到31203主运平巷继续下一循环作业，四臂锚杆机2进入31203辅运平巷进行支护，支护完毕后接风筒。掘进过程中当巷道顶板比较破碎，出现鳞皮、活矸，裂隙、节理局部较发育或有冲刷构造时，循环进度调整为6～8m。铲车4进入刚掘进完成的31203辅运平巷内清理浮煤和其他杂物，以确保巷道的畅通。

图2 31203主辅运平巷支护设计图

表2 31203工作面双巷快速掘进主要设备技术参数

5.2.2 锚杆和锚索支护施工

40-RE-LMB-CWT 型锚杆机在连续采煤机掘进后形成的空顶区内进行支护，从外向里逐排进行，具体支护工艺如图4所示。锚索支护一般滞后锚杆支护一个循环。顶煤厚度大于500mm 时，锚索滞后工作面距离不大于30 m，当顶煤厚度小于500mm 或顶板破碎易冒落时，应紧跟工作面并采取及时支护，锚索滞后工作面距离不大于14m，锚索具体支护工艺如图5所示。

5.2.3 掘进工艺优化

神东矿区特有的双巷快速掘进模式要求不断对掘进工艺进行优化，以提高设备效率和单进水平。在实践中掘进工艺优化方法具体包括：

（1）优化主辅回撤通道至大巷掘进工艺。即在31203主辅运平巷掘进至联络巷时，暂停向前掘进，而是返回掘进31204工作面的主副回撤通道。此工艺的优化，解决了下一工作面平巷开口段工序复杂、相互制约的问题；使下一个工作面可直接形成独立通风，避免开切口初期存在串联通风且少拆除2道联络巷密闭；可节省6d时间，按40 m／d计算，可以多进尺240m。

图3 31203主辅运平巷双巷快速掘进工艺

图4 40-RE-LMB-CWT 型锚杆机支护工艺

图5 锚索支护工艺

（2）采用斜联络巷掘进工艺，如图3中的9所示。在以前的连采平巷掘进中，一般情况下每隔10个联络巷要留出一个直联络巷，并在联络巷口做4个半径为3m×3m 的抹角，以便于浇筑混凝土底板和运送材料时进行调车。但直联络巷距离短 （一般为15m），再减去4个抹角长度，使联络巷间风门的距离小于8m，致使材料车或工程车掉头时需同时打开两道风门，存在极大的安全隐患。在长期实践中，对直联络巷掘进工艺进行优化，创造出斜联络巷掘进工艺。该工艺的最大优点是增大了调车联络巷间的长度 （斜联络巷距离增大到18m），使材料车可进入风门内，避免两道风门同时打开造成风流短路，保障了生产安全。同时，还减少了两个抹角支护，加快了单进水平。

（3）提高连采机-梭车系统司机的业务技能，并加强设备管理，提升设备的运转效能。充分发挥神东教培中心和石圪台矿实操培训基地的平台作用，定期开展岗位练兵和技能比武大赛，促进员工实操和理论水平的提升。制定掘进工作面设备包机制，实行 “三专管理”，即专人保养、专人维修、专人操作。利用交接班时间对作业使用的机电设备、机具进行全面检修，确保设备在良好状态下运行，消除机电事故对巷道施工的影响。与矿调度指挥中心加强联系，使设备综合效率 （开机率）达93%～96%。

（4）创造多工序平行作业，缩短辅助工序时间。如锚杆机支护、连采机采煤、接风筒平行作业，连网与打锚杆平行作业，连采机割煤和备料平行作业，锚杆索支护、延伸皮带、移破碎机平行作业等。

6 结论

31203主辅运输平巷快速掘进采用上述方法进行施工，最大控顶距达16.2m。该工作面自2012年9月开始掘进，创出日进80.3m、班进44.8m 的新纪录；人工效率达1.67m／ （工·d），双巷月进尺完成1800m （开机率达95%），比支护优化前超额18.6%完成任务，形成工作面比原计划提前16d，提高了单进水平，保证了工作面的正常接替。

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