5102巷掘进工艺、工序优化研究

武 超

(大同煤矿集团朔州煤电公司小峪煤业公司，山西 朔州 038300)

1 工程概况

小峪煤业隶属于同煤集团朔州煤电公司，所采煤层为16#煤层，煤层总厚度7.29～8.78m，平均厚7.94m。其中上段的糟糕煤总厚2.98～3.77m，均厚3.35m；泥岩厚0.20m；尺八煤总厚0.35～0.52m，均厚0.42m；高岭岩总厚1.04～2.15m，均厚1.44m；下段的“四四”煤层总厚2.29～2.84m，均厚2.53m。该矿经过对16#煤层南Ⅰ辅助盘区煤层赋存情况、煤层普氏系数、构造发育情况以及技术、安全、经济可行性进行综合分析后，确定5102巷采用EBZ200型掘进机按设计要求一次切割成型。5102巷支护设计为锚杆、锚索、金属网联合支护，断面规格为宽×高=3.6×3.2m。随着现代采矿业巷道掘进速度的提升及断面的增大，以往的支护技术已不能满足要求，且随着巷道掘进速度的加快和巷道断面的增大，掘进时顶板越来越难以管理，并容易发生事故，而保留留顶网兜会使临时支护时间增长，从而降低支护效率。5102巷道目前掘进每日平均进尺量仅为10m，掘进速度较慢。

2 支护工艺优化方式的数值模拟

2.1 5102巷支护参数

5102巷顶板锚杆的间距与排距均为0.9m，单排5根直径20mm长度2.2m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，使用CK2335、K2360各一卷树脂锚固剂；顶板锚索为直径17.8mm、长度7.5m的钢绞线，布置方式为三花眼式，单排两根锚索的间距为1.2m，单排单根锚索位于巷道中心，排距为1.8m，使用一卷CK2335和两卷K2360树脂锚固剂；巷帮锚杆间距和排距分别为1m和0.9m，单侧3根直径18mm、长度2m的普通圆钢锚杆，使用一卷K2360树脂锚固剂，巷帮单侧锚杆中靠近底板的锚杆距底板0.9m，靠近顶板的锚杆距顶板0.3m。图1为5102巷支护参数示意图。

图1 5102巷支护参数示意图

2.2 模型建立

通过使用让压分次支护技术代替传统的掘进支护，实现5102巷的快速安全掘进。该技术将掘进巷道的支护作业分成两部分进行，第一部分为掘进后的第一次及时支护，第二部分为滞后掘进迎头一定距离的第二次滞后支护。及时支护将顶板锚杆及巷帮靠近顶板的锚杆进行安装，滞后支护将锚索及剩余锚杆进行安装。及时支护可以先使顶板覆岩压力得到一定程度的释放，保证掘进迎头的安全，而滞后支护可以使围岩得到进一步的控制，实现及时支护和滞后支护的平行作业，减少掘进迎头的支护作业时间，加快了作业速度。

根据小峪煤业5102巷道掘进工作面覆岩的物理力学参数，借鉴类似巷道掘进支护模拟的经验[1-2]，通过FLAC3D软件建立5102巷道掘进二次支护滞后不同距离模型研究适合5102巷道掘进支护分次支护的距离。采用Mohr-Coulomb模型进行本次模拟计算，建立的计算模型尺寸为50m×6m×45m，为了保证模拟结果的精确度，模型共划分67922个单元及75000个节点。x轴法线的侧面来限制水平移动，y轴法线的侧面来限制纵向移动，其他方向采用模型地面来限制其移动，模型垂直方向施加9×106Pa的载荷，模拟过程中的掘进进尺为1m。

2.3 模拟结果分析

二次滞后支护距离掘进迎头一次及时支护不同距离时巷道垂直应力模拟结果云图如图2所示。

观察图2可发现，在5102巷道中，当二次支护滞后一次支护10m、20m、30m时，支护段内顶板的最大应力值为1.48×105kN、9.1×104kN、1.7×105kN。可以明显看出二次支护滞后一次支护20m时，对支护段内的顶板控制效果最佳，因此确定二次支护滞后一次支护的合理距离为20m。由于5102巷支护参数中每6排有6根锚索及66根锚杆需要安装，而应用让压分次支护技术后，约每排有3/4根锚索和4根锚杆在滞后一次及时支护20m的地方进行平行作业施工，每排支护的效率提升35%。而一般掘进巷道中支护作业时间占整个工序的70%，因此应用该技术可以使5102巷掘进施工效率提升25%。

图2 二次支护滞后不同距离时的垂直应力云图

由以上分析知，适合小峪煤业5102巷道掘进时二次支护的合理滞后距离为20m，通过二次支护的平行作业施工，整个施工循环可以提高25%的工效。

3 掘进及支护工艺的优化措施

3.1 多工序交叉平行作业[3]

5102巷道采用锚网索的支护方式很大程度上减轻了支护工人的工作强度，但是巷道在掘进过程中掘进作业与支护作业是分离的，这是严重影响巷道掘进速度的原因之一，因此需要协调掘进与支护的作业过程。在保证安全作业的前提下，通过调节多道工序交叉平行作业来提升作业效率。经过设计，巷道掘进后顶板锚杆机帮部锚杆的安装、延长皮带及二次支护安装锚索和锚杆、各种机电设备的检修、综掘机和电缆线的延长可以实现多道工序交叉平行作业，这样可以在保证安全的同时提高作业效率。

3.2 让压分次支护技术的应用

现场掘进迎头工人在掘进后及时进行一次支护中顶板锚杆及帮部靠近顶板的两根锚杆的安装，同时另一组工人在滞后掘进迎头20m处进行二次支护中顶板锚索及帮部靠近底板锚杆的安装作业。这样可以在保证安全的前提下，实现掘进中支护的分次平行作业，很大程度上节省了支护作业时间。

3.3 优化作业制度[4]

为了避免工人劳动强度过高，并保证5102巷道的快速掘进，结合5102巷现场情况，优化原掘进“三·八”制的作业方式为“四·六”制循环作业方式，一班检修，三班掘进作业，充分利用两班交接的重叠时间进行接下来掘进生产的准备工作，并在掘进机后方补打漏打的锚杆等。

4 应用效果

5102巷在6月份之前采用原掘进及支护工艺进行巷道的掘进作业，6月份之后应用优化后的作业制度和让压分次支护技术进行巷道的掘进作业。如图3为优化前与优化后的掘进日进尺对比图。

观察图3可发现，5102巷道在采用原掘进及支护工艺进行巷道掘进时，单日进尺量为10m，而在应用“四·六”制循环作业方式、让压分次支护技术并使部分工序平行作业后，掘进巷道单日进尺量逐渐增加。随着工人作业熟练度的提高，单日进尺量增加至20.8m，单日进尺量较之前最大增幅为108%；并且正常掘进单次循环时间缩短到40min，其中综掘机割煤作业用时10min，支护用时30min；5102巷8月的总掘进进尺量为606m，平均日进尺20.2m，实现了5102巷道的安全快速掘进。

图3 优化前与优化后的掘进日进尺对比图