5125 巷道快速掘进技术的设计及应用研究

胡海涛

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037027）

马脊矿位于山西大同煤田西北边缘，5125 巷道属于半煤岩巷道，煤层厚度1.14 m，结构简单，平均埋深137.8 m，巷道开挖总断面16.2 m2，其中煤层、岩层面积分别是6.16 m2和10.04 m2。掘进速度慢是面临的主要问题。

1 5125 巷道快速掘进技术设计

1.1 掘进方式选择

煤矿巷道掘进工艺有钻孔爆破和掘进机、盾构机等机械掘进[1]方式，结合5125 巷道实际情况，设计应用综掘方式[2]。

采用掘进机等机械方式掘进，除配置掘进机外，还需刮板输送机、锚杆钻机、运输机以及装载机等后配套设备。5125 半煤岩巷道选用EBZ-260H 型掘进机，沿煤层底板破顶掘进，配套使用CMM2-21 液压锚杆钻车完成掘进、支护联合施工作业。掘进中，掘进机循环进尺2800 mm，一次进刀1000 mm，最小、最大控顶距≤800 mm、3000 mm，当每一掘进循环进尺结束后，安设锚杆完成支护作业。掘进机进刀示意图如图1。

图1 进刀示意图

1.2 综掘施工流程

依据5125 巷道地质条件，确定该巷道具体掘进施工流程为：掘进机一次截割成巷→从煤层底板进行挑顶掘进施工→掘进、支护依次作业。

使用掘进机掘进时，掘进机进刀落煤、出煤（矸），煤矸运输流程为：掘进机铲板→一运→胶带、刮板运输机→工作面溜煤眼→大巷刮板运输机→溜煤眼→大巷主胶带输送机→转载硐室刮板运输机→大巷主胶带输送机→地面煤仓。

2 巷道支护设计

2.1 巷道支护技术理论设计

2.1.1 支护参数设计

巷道支护基于悬吊理论[3]对顶板支护参数设计。式（1）为锚杆长度计算公式：

式中：K为安全系数，取值1.5；H为冒落拱高度，m；L1、L2依次是深入到稳定基岩的锚杆长度、外露长度，取值0.7 m、0.05 m。

冒落拱[4]计算公式如式（2）：

式中：W为巷道开挖宽度，取值5.4 m；f为岩石的坚固性系数，粉砂岩大小取5。通过计算得到H=0.54 m，因此，锚杆长度L≥1.56 m。

依据上述锚杆计算结果，选用Ф18 mm×2100 mm 的螺纹钢锚杆。通过悬吊面积[5]来确定锚杆间排距，如式（3）：

式中：Q为设计锚固力值，取85 kN/根；K为安全系数，取值2；H为冒落拱高度，取值0.54 m；R为粉砂岩的重力密度，取值23 kN/m3。通过计算得到A=3.43 m2。

在锚杆支护参数设计中，为实现巷道快速掘进支护以及支护安全性，确定锚杆间排距1000 mm。

巷道锚索长度设计，将岩体内的粘接力、内摩擦力忽略不计，依据竖直方向的平衡力考虑，则锚索长度[6]计算公式如式（4）：

式中：n为锚索排数，取1；B、H分别是巷道最大冒落宽度、高度，取5.4 m、2.1 m；g为岩体容重，取23 kN/m3；Q和Q1分别是锚杆锚固力值和极限承载力值，取85 kN/根、190 kN/根；q是巷道顶板、锚杆间所成夹角，取90°。通过计算得到L3=2.1 m，由于计算得到的锚索长度较短，依据矿井配套锚索规格选用Ф15.24 mm×7300 mm。

帮锚杆长度[7]参数设计依据加固帮体效果，需遵循：

式中：L1、L6、L7依次是锚杆外露、有效以及锚固长度，外露长度≤0.05 m，锚固长度取0.3 m。

锚杆有效长度[8]计算公式如式（6）：

式中：f普氏系数，取值1.5～2；W为巷道宽度，m。因此计算可得L6=1.29～1.31 m，所以帮锚杆长度L=1.64～1.66 m。基于理论计算结果，帮锚杆选用Ⅱ级螺纹钢锚杆，规格为Ф18 mm×1800 mm。

掘巷中，由于锚杆永久支护和掘进头存在一定距离，为实现对巷道顶板的支撑，通常要求安设少许锚杆，保证不会出现顶板垮落。空顶范围内顶板重量[9]公式如式（7）：

式中：b为垮落高度，取值0.2～0.3 m，本文取0.25 m；W为巷道宽度，取值5.4 m；R为细粒砂岩密度，取值23 kN/m3；S为当出现最大空顶距时，一根锚杆所能承载力的距离大小，取值1 m。通过计算得到G=31.1 t。

巷道锚杆临时支护数量[10]计算公式如式（8）：

式中：K为安全系数，取值2；G=31.1 t；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；Q为锚杆抗拔能力值，取值160 kN/根。计算得到N=3.81，为保证矿井安全生产，5125 半煤岩巷道临时支护锚杆数量选用4。

2.1.2 巷道支护方案及施工流程

根据上述计算，顶、帮锚杆均采用Ⅱ级螺纹钢锚杆，规格分别为Ф18 mm×2100 mm、Ф18 mm×1800 mm，与Ф15.24 mm×7300 mm 高强度锚索联合支护，锚杆间排距、锚索排距分别是1000 mm×1000 mm、2000 mm。同时，在顶板左右顶角处增加锚杆，与巷道垂直方向成15°，规格同顶锚杆。支护布置如图2。

图2 5125 巷道锚杆支护布置图（mm）

5125 巷道支护流程：全断面截割煤完成一个循环距离→敲帮问顶→挂网进行钻孔施工→安设锚杆并对其紧固。用MQT-130 风动锚杆钻机，配合B19×1000 mm、2200 mm 两种型号钻杆及两翼合金的Ф28 mm 钻头打眼。

2.2 锚杆支护及时性分析

巷道快速掘进中，影响巷道掘进速率的关键是能否及时支护。为验证巷道及时支护的必要性，对比5125 巷道滞后距离分别为3 m、5 m 时的巷道顶板垂直应力变化情况，如图3。

图3 巷道顶板垂直应力分布图

从图3（a）中可看出，滞后5 m 时，垂直应力减小区位于巷道支护前端和掘进面，尤其是在位于掘进面2.5～3 m 的位置，垂直应力大小降低最为显著，这也表明此位置处出现顶板垮落的危险性最大。图3（b）中，滞后3 m，没有出现明显的应力减小区，这也表明在掘进机一个掘进循环内，及时采取巷道支护措施，能够明显使巷道的变形量、顶板垮落的危险性减小。

掘进机伸出的前梁在5125 巷道中可发挥临时支护效果。因此，在巷道掘进中，应用EBZ-260H 型掘进机，在提升巷道掘进速率的同时，又降低了因巷道开挖还没有及时支护产生的冒顶事故危险性。

3 对比应用分析

为获得采用快速掘进支护工艺后5125 巷道的实际掘进效果，主要监测掘进机一个月内的掘进量，并对比分析采用普通掘进工艺时的月掘进量。5125巷道快速掘进实行“三八制”作业模式，即两班掘进、一班检修，因此，日掘进量为两班相加后得到的掘进进尺。记录一个月的进尺量，见表1。

表1 中，5125 巷道每班掘进量是6.3 m，日掘进量是12.6 m。监测期内，3 日四点班、4 日零点班，掘进中出现小断层，为确保巷道安全掘进，当天未能按规定量完成掘进，断层过后，又正常完成每天掘进量；12 日、26 日，设备故障；25 日，改进通风装置；11 日零点班，检查卫生；15 日四点班倒班；28 日处理杂活；29 日安装带式输送机，均未按规定完成当天掘进量。其余时段，每班都能完成掘进量，月掘进量356.9 m。

表1 5125 巷道月掘进进尺汇总结果

进一步对比分析采用传统掘进工艺的月掘进量，掘进机型号为EBZ-160，同样统计一个月内的掘进量，见表2。

表2 中，使用EBZ-160 型掘进机，日掘进量约是全断面快速掘进的三分之一，且每班掘进量相同，均为2.2 m，所以一个月内的掘进量是129.4 m。对比表1 可知，采用EBZ-162 型掘进机一个月内的掘进量是采用快速掘进一次成巷的三分之一。

表2 5125 巷道月生产情况汇总结果

4 结论

（1）依据5125 巷道特点，采用EBZ-260H 型掘进机配合液压锚杆钻机完成巷道的全断面掘进和支护。

（2）巷道锚杆支护方案为：顶、帮锚杆均采用Ⅱ级螺纹钢锚杆，并和高强度锚索联合支护，同时，在顶板左右顶角处增加锚杆，与巷道垂直方向成15°。

（3）现场统计5125 巷道月掘进量，快速掘进工艺是356.9 m，传统掘进量是129.4 m，表明提升设备和改善掘进工艺后，5125 巷道掘进速度显著提升。