半孤岛掘进工作面快速掘进工艺的研究与应用

窦衍来 丛兴春 张 健

（枣矿集团高庄煤业有限公司，山东 微山 277605）

综采技术水平的提高客观上促进了综掘技术的进步，对掘进成巷速度和综掘自动化提出了更高要求。加强掘进顶帮安全管理，提高煤巷快速掘进技术水平，创建质量标准化优质工程，是当前煤矿采掘均衡发展亟待解决的问题。高庄煤业有限公司在3下1104运输巷进行了一系列的研究与应用，对于解决复杂地质条件下大断面回采巷道快速掘进施工中存在的普遍性问题，实现煤巷综合机械化快速掘进及巷道支护“安全、快速、经济”的目标，具有重要的现实意义。

1 概况

3下1104运输巷位于西十一采区西翼中部，巷道南部为3下1102工作面采空区，北部为实体煤，东部为西十一采区四条下山，上部为3上1102工作面采空区。空间关系如图1、图2所示。

巷道所处地层为二叠系山西组3下煤层，内生裂隙发育，3下煤层厚度3.5～5.2m，平均4.0m。3上、3下煤层岩柱厚度为7.0～8.0m，平均7.5m。巷道上部3上煤层回采过程中断层附近存在破底板岩石情况，最大破底厚度约2.0m。

根据3上1102运输巷、3上1104工作面和3下1102运输巷等周边采掘揭露情况，预计3下1104工作面共发育32条断层，其中工作面运输巷预计揭露断层24条，对掘进影响较大。

图1 3煤巷道布置空间关系平面示意图

图2 3煤巷道布置空间关系剖面示意图

2 生产工艺及设备配套

高煤公司于2019年引进使用了MB670-1型掘锚机等快速掘进机械和相应技术，该设备具有一次掘支成巷、施工速度快、顶板支护好、巷道规格标准等优点。为匹配该掘锚机连续作业的特点，配套相应的运输系统，后路配备LY2000型连续运输车、永磁变频电滚筒皮带运煤，无极绳绞车、风动单轨吊运输物料，实现了煤流、物料双系统高效运输。通过实现掘、支、运三大工序的优化配置，最大限度提高了劳动效率和单进水平。

2.1 掘锚工艺优化

应用MB670-1型掘锚机进行掘锚作业，该设备配备6台机载液压锚杆机，其中4台用于顶板支护，2台用于帮部支护，并自带用于临时支护的液压支撑架、防尘高压水喷雾系统和湿式除尘系统。在迎头截割时可以顶帮同时进行锚杆钻孔作业，实现截割、装载、运输和锚护平行作业。

该设备通过无线遥控器操作，操作人员在切割护板后通过屏幕观察操作，全断面记忆截割，自动控制水平位置和巷道的截割高度。与EBZ-260综掘机相比，每循环截割时间由30min缩短至7min，切割效率提高73%。

2.2 运煤流程优化

使用掘锚机完成割煤、支护后，应用LY2000型连续运输车与MB670-1型掘锚机配套运煤，该设备由带式转载机、履带式转载破碎机及刚性皮带机架组成，具备大块煤矸破碎功能，消除了大块煤矸运输隐患和堵仓问题，平均运输能力达到800t/h。连续运输车前端为接煤槽，迎头切割出煤时紧跟掘锚机，随掘锚机移动，煤流经转载破碎机破碎，进入带式转载机、永磁变频电滚筒皮带机，形成连续运输系统。

2.3 辅助运输优化

后路采用无极绳绞车配合风动单轨吊进行物料辅助运输，并对无极绳绞车进行升级，安装无线视频，实现运行过程中无线监控，无需跟车人员，优化辅助运输人员配置。

3 支护设计优化

MB670-1掘锚机在应用之初就面临着3下1104运输巷大断面、深埋高应力、半孤岛工作面顺槽掘进压力大的问题，支护参数既满足支护强度需求，又能适应掘锚机快速掘进的需要就显得极为重要。高煤公司通过联合中国矿业大学进行技术攻关，结合该巷道地质构造、周边采场情况及MB670-1型掘锚机锚护系统参数，不断优化支护方式，确定了“高强度、低密度”支护技术方案。支护材料清单如表1所示。

表1 3下1104运输巷锚杆（索）支护材料清单

3.1 正常条件下锚杆（索）支护技术方案

正常条件下顶帮均采用细螺纹高强螺纹钢锚杆（右旋，Q600），设计扭矩400N·m，顶板每排布置6棵锚杆，间排距均为1000×2000mm，帮部每排布置4棵锚杆，间排距均为1000×1000mm，配合翼型钢带加强支护；顶部每排布置4棵锚索，锚索间排距1300×2000mm，即隔一排锚杆布置一排锚索；帮部两根锚索间排距为2000×2000mm。巷道支护断面如图3、图4所示。顶板及两帮网距加大后，在保证巷道支护强度的基础上，减小了支护材料的消耗。另外，在巷道中安装了顶板离层及锚索应力监测系统，定期进行采集数据，验证支护方案的可靠性。

3.2 特殊条件下锚杆（索）支护技术方案

3下1104工作面运输巷沿3下1102工作面采空区留设4.5m小煤柱掘进，且上部为3上1104工作面采空区和3上1102工作面采空区遗留煤柱。由此，3下1104面运输巷局部地段因采动影响而引起了顶板岩石破碎、局部地段受断层影响而导致顶板岩层破碎。针对因采动及断层等因素引起3下1104运输巷顶板条件的异常，在“正常条件下锚杆（索）支护技术方案”基础之上，提出了两种补充方案：

（1）当顶板完整岩柱厚度大于5.0而小于6.0m时：

①在锚杆与锚索排之间补打4根注浆锚索；

②原顶板锚索支护排，根据顶板岩柱实际厚度，锚索长度在4.0～5.5m间选取；

③当顶板岩柱厚度小于5.0m时，组织专家对支护方案进行重新论证。

（2）掘进时遇断层破碎带时，应确保顶板岩柱厚度不小于6.0m，且应破底掘进施工，但破底深度不易大于2.0m。

①在锚杆与锚索排之间补打6根注浆锚索；

②原顶板锚索支护排每排布置6根锚索，间排距变更为：900×800mm；

③原顶板锚杆支护排每排布置7根锚杆，间排距变更为：800×800mm；

④如顶板随掘随冒，应采取超前注浆或打管缝锚杆控顶；

⑤如在采取上述措施后，顶板仍发生较大变形而难以控制，应及时扶棚。

图3 3下1104运输巷锚杆（索）支护断面图

图4 3下1104运输巷锚杆（索）支护断面展开图

4 劳动组织优化

（1）取消夜班生产，科学合理匹配人员

在施工过程中不断优化劳动组织，掘进工作面取消了夜班生产，采取“二七一四”制作业方式。早班为生产准备班(6:00～10:00)，为生产班做好开工准备工作，满足掘进头面延接皮带、电缆、风水管路需求；中班(10:00～17:00)、晚班（17:00～24:00）集中生产。

（2）“一人多岗、一岗多能”机制，提升人力资源效能

严控工作面出勤人数，掘进迎头单班下井作业人数不超过8人。将无极绳绞车和可视化集控操作台、智能巡检机器人操作箱并排布置，便于操作，实现无极绳绞车司机、皮带司机、检修工岗位“三岗合一”。

5 结 论

高煤公司在大断面、采空区下薄岩柱、断层等诸多不利因素情况下，通过复杂地质条件下快速掘进工艺的研究和应用，创出了月进尺 646m的好成绩，保证了工作面正常接续，为矿井的高产高效建设奠定了基础。通过进一步的实践与完善，该快速掘进工艺将具有更加广阔的应用前景。