大倾角倒梯形煤巷新型配套快速掘进技术研究

孙立虎，王 敏，于冰冰，高正华

(1.新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

据不完全统计，我国煤巷掘进里程达8000 km以上，巷道工程规模大，且随着矿井开采规模递增，矿井逐渐向大型化、机械化和智能化方向发展[1-5]。为了满足设备、运输等要求，煤巷的智能化快速掘进技术及工艺已成为煤炭行业发展的必然趋势。随着煤炭开采机械化程度不断提高及新工艺的不断出现，煤矿现有的“短掘短支”技术的工作效率已经满足不了企业的需求，已经在向“长掘长支”技术靠拢，即支护装备与掘进装备配套使用，从而实现煤巷的快速掘进，大大加快掘进效率[6-8]。但是对于深部煤炭开采领域，综掘机掘进和锚杆装备支护的协调配合一直是研究的重点和难点，并且对于大倾角煤巷特殊断面形式而言，其掘进和支护之间的问题将会更加突出，支护问题和掘进效率俨然已成为制约煤炭企业快速发展的关键因素[9]。

王学强等[10]通过提高工作面掘进系统装备自动化和智能化程度，实现掘进工作面轻量化和快速化，建立了“掘锚一体机+锚杆转载机+桥式转载机+变频调速带式输送机”的智能快速掘进系统；惠兴田等[11]分析了3种现有的快速掘进技术和临时支护中存在的问题，针对目前以悬臂式掘进机为主的掘进方式，分析总结了影响掘进速度的各种因素，提出在以悬臂式掘进机的方式下如何安全有效提高煤巷掘进速度的思路和方法；白伟等[12]针对韩城矿区桑树坪煤矿岩巷掘进存在的问题，分析了岩巷掘进的主要影响因素，根据桑树坪煤矿现有的岩巷掘进工艺及地质条件，优化了爆破参数和支护参数，研制了一套适用于该地质条件下的岩巷快速掘进机械化作业装备。王步康等[13]在总结掘进技术与装备现状的基础上，结合现阶段国家政策、行业发展、市场需求、新技术应用等方面的现状，从巷道掘进基础理论研究、装备智能化与成套化、掘进机器人、现代感知技术等层面，预测了掘进技术与装备未来发展方向与趋势。

从上述研究成果中可知，大部分煤巷快速掘进技术研究的对象都是标准矩形巷道[14-17]，但是煤矿中仍然有很多不规则的特殊断面形式(倒梯形为主)[18-20]，掘锚一体化和矿用盾构机工艺难以适用，对于该类巷道的研究很少。因此，本研究以内蒙古长城五矿1902S回风巷的掘进支护工艺为基础，通过新型装备的搭配来解决大倾角倒梯形巷道(倾斜顶板)的快速掘进配套装备及工艺问题，并对比分析新型工艺与原人工风钻工艺的劳动组织形式，平均进尺等数据量化掘进效果，最终得到适用于倒梯形(特殊断面)巷道的新型配套快速掘进工艺并加以推广。

1 工程地质概况

1.1 实验地点

山东能源长城五矿位于内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙镇，该地区岩层勘探结果却是上二叠系山西组，同时地层内部所含层状裂隙水多为石炭系太原组灰岩及砂岩含水层，岩层与弱含水层均与东部地区近似，矛盾的地质勘探结果也就导致以鄂尔多斯为主的内蒙古西部地区地层条件极其复杂多变。同时由于独特的地理位置，背靠以黄土高原地貌为主的宁夏，东近内蒙古平原，从高原向平原的过渡地段导致该地区断层数量多，地层成岩较晚，地质构造复杂；同时西邻蜿蜒湍急的黄河，相比于大部分西部地区年降水量偏大。

种种因素共同造就了鄂尔多斯地区地层成岩时期了独特的岩层条件和岩性特征，主要表现为：岩层的岩性受上覆弱含水层的水侵蚀影响较大，整体呈现弱胶结性状，表现为“泥质粉化”的特征；地下工程开挖过程中，围岩自身强度低，保持稳定性的能力较差，强度等力学参数折减较大，极易发生顶板冒落失稳的现象。

1902S回风巷顶板变形破坏现象如图1所示。1902S回风巷采用双排距施工，即掘进2.6 m作为单循环进尺。巷道上覆压力为10 MPa，侧向压力为15 MPa，横向应力系数达到1.5，地下水压达到了4 MPa，内部断层。高地应力与高水压同岩石低强度，高渗透性之间的矛盾造成岩石力学行为的不稳定性，叠加复杂的地质条件和施工环境影响，不论是岩巷还是煤巷，围岩和岩层与浅部煤矿均表现出显著的差异性。地层及地质等原因造成岩石力学行为的弱化，导致了许多突发性的工程事故和灾难性的现象。

1.2 地质及煤层状况

该地区岩层以砂岩为主，分布于整个上、下采区，与灰岩岩层交错分布。矿区附近软弱含水层较少，但岩石裂隙水含量较大，整体呈现弱胶结特征，各岩层稳定性和围岩控制程度较差，岩石强度偏小。巷道集中部位的岩层从上到下依次为中细砂岩，粉砂岩，泥质灰岩，9#煤，中细砂岩，细砂岩，中砂岩。巷道的顶板一般为泥质灰岩，部分夹杂着粉砂岩。

根据钻孔资料及邻近巷道实际揭露地质资料揭露分析(图2)，9煤厚度3.71～5.14 m，平均4.2 m。煤层含有夹矸，夹矸层数1至5层，夹矸厚度0.09～0.23 m，平均0.18 m。9煤层为对比可靠，煤层结构复杂，属于可采的稳定煤层。9#煤顶板岩性为灰岩，厚度0.16～2.80 m，平均1.8 m，局部发育泥质粉砂岩伪顶；岩石饱和状态下单轴抗压强度小于40 MPa，虽不是软岩，但是由于地质条件的复杂导致其产生了弱胶结特性，且该地区地层富含水，导致其强度等级与软岩属同一层次，遇水易产生溶解现象。底板岩性以中细砂岩为主、细粒砂岩次之，厚度3.73～4.65 m，平均4.0 m，偶见砂质泥岩底板。底板岩石饱和状态下单轴抗压强度小于40 MPa，属软弱岩石的一种。岩体中等完整～破碎，岩体质量中等～差，属不稳定底板。

图2 煤岩层柱状

是顶板为泥质灰岩，且与顶板岩层紧邻的粉砂岩岩层之间夹杂平均厚度为0.7 m的粉砂岩层，由于该岩层分布不均匀，所以未体现在地层柱状图中，但在后续的支护过程中需要特别注意。

2 原掘进支护工艺方案

2.1 人工风钻施工流程

原人工风钻循环作业施工具体情况如图3所示。

图3 原方案单循环施工工序

1)施工工序：巷道掘进，采用激光定向，综掘落煤、综掘机一运、二运再到带式输送机运煤的施工方法。

2)掘进机生产工艺流程：交接班、安全检查巷道质量验收→校对中腰线→掘进机截割出矸、运输支护材料→停电闭锁→敲帮问顶→临时支护(机载液压前探梁)→支护锚杆、锚索→挂网、联网→集中扫底→停电闭锁→敲帮问顶→支护帮部锚杆→下一个单循环→清理卫生、文明整治→交接班、质量验收。

3)巷道采用全断面一次掘进成巷的作业方式，严格按照规程中支护设计参数进行临时支护、永久支护和加强支护。其循环作业施工工序主要包括：安全检查、准备→校对中线→掘进机割煤出煤→敲帮问顶→临时支护→铺网、安设钢带→校对中线→打顶锚索、帮部锚杆→清理出煤→掘进机割煤→进入下一日进尺循环。

4)劳动组织形式。采用正规循环作业方式组织生产，“三八”工作制。中、夜班2个循环，早班1个循环，每日完成5个循环。循环进度2.0 m，日进10 m，循环率89%，月进260 m。

2.2 存在的问题

在现场调查过程中发现，原人工风钻工艺采用的是机械掘进，人工支护的方式，该工艺在施工过程中存在以下问题：

1)临时支护与永久支护均为人工支护，现场施工人员人数较多且施工人员的劳动强度大，永久支护过程中锚杆锚索打眼采用的风钻效率太低，支护一根锚杆需要12 min，一根锚索甚至需要30 min，虽然施工人员人数多，但也就导致支护速度仍然缓慢，采掘失衡的问题较为明显。

2)现场人工风钻工艺仅能够双排距(2.6 m)施工，三组前探梁的临时支护形式限制了单循环进尺，巷道掘进最大的空顶距为4.342 m，可以机进行双排距和三排距施工，浪费在拆卸临时支护结构上的时间较多。

3)现场施工人员人数较多，施工现场管理较为混乱，缺少统一的调配，导致在施工过程中会出现偶发性断档，影响单循环的时间，单日的循环进尺一般只能维持在4～5个循环，日进尺为10 m左右。

3 新型配套自动化工艺

3.1 配套装备及施工安排

3.1.1 工艺装备介绍

为提高巷道掘进的进尺，保证矿井生产接续，进一步提高井下施工的智能化程度，在1902S回风巷巷道施工过程中，贯彻《关于加快推进煤矿智能化建设的指导意见》的宗旨，对掘进支护配套相关装备进行进一步优化改进，形成了“大功率综掘机+单轨吊四臂液压锚杆钻车+自移机尾+小型柴油单轨吊+皮带集控”的自动化快速掘进工艺，实现掘进工作面截割，支护，运料，运煤全流程连续性自动化作业，从而实现机械化向智能化迈进的一大步。

新型配套快速掘进工艺中以悬轨翼式锚杆钻车为核心，包含大功率综掘机的掘进装备以及后续的配套设备组合，形成“大功率综掘机+单轨液压锚杆钻车+自移机尾+小型柴油单轨吊+皮带集控”的新型智能化快速掘进配套工艺作业线，相比于传统的工风钻工艺，大大减少了现场施工作业人员，相关设备智能化，全作业流程自动化，现场仅需部分设备操作辅助人员即可；同时，相比于同时期新型的掘锚一体化机组工艺，该工艺能够独特的针对大倾角煤巷顶板支护困难方面，解决复杂地质条件下的大断面煤巷自动化掘进支护问题。

3.1.2 劳动组织形式

以双排距施工为例，采用正规循环作业方式组织生产，“三八”工作制。中、晚班2个循环，早班2个循环，每日完成6个循环。为保证正规循环作业的完成，迎头施工作业必须根据劳动组织的人员配备，合理安排工序，工序和工序之间合理交叉进行，以充分利用工作时间，提高工时利用率。

为保证正规循环作业的完成，迎头施工作业必须根据劳动组织的人员配备，合理安排工序，工序和工序之间合理交叉进行，以充分利用工作时间，提高工时利用率。具体的施工工序时间见表1。

表1 具体施工工序时间表

3.2 工艺全流程

新型配套工艺的现场施工应用流程：

1)大功率综掘机在巷道工作断面向前掘进，当掘进进尺达到合理支护排距后停止工作从巷道工作面迎头后退至安全区域。

2)单轨液压锚杆钻车通过悬吊在巷道顶部中心线的轨道向前移动至工作面迎头，钻车全部位展开，向下展开支撑脚，待锚杆钻车支撑稳定后，通过液压油缸向前伸展临时支护平台来顶住前方未支护巷道进尺的顶部，钻车臂同时伸展开始顶板和帮部支护作业；

3)支护作业完成后，钻车临时支护平台和支撑腿全部收缩，并通过轨道运行至后方安全区域；即完成一个掘进支护单循环。

在上述掘进支护作业进行的同时，后路配套设备也在同步进行作业：自移机尾代替了综掘机机拉机尾，对采掘作业进行辅助；小型柴油单轨吊从后方向前运输支护施工所需的材料；带式输送机集控向后方不间断运输工作面迎头处采掘出的煤炭等。该工艺的具体流程如图4所示。

图4 配套工艺施工流程

3.3 现场应用

1902S回风巷地质条件特殊，巷道倾角达到28°，且巷道形状为倒梯形，顶板倾斜角度过大，顶板岩性泥质胶结，施工难度大，巷道掘进进尺缓慢。新型配套工艺的应用大大改善了施工的困境，同时配套装备之间协作的连续性施工作业使得巷道掘进速度得到了质的提升。首先是综掘机截割，从巷道中部进行吃刀，按照先中后四周的截割顺序进行掘进作业，逐步达到巷道设计要求的工作断面尺寸。单轨液压锚杆钻车通过起吊锚杆和悬吊在巷道顶部中心处，使用导轨系统来进行前后移动，充分利用巷道上部空间，与下方综掘机等后路配套装备分开，独立运行，如图5所示。

图5 1902S回风巷巷道工作断面布置(mm)

双排距施工时，单轨吊锚杆钻机前进至掘进前迎头，展开后进行永久支护作业，W型钢带+钢筋锚网铺设在临时支护平台上，然后液压系统将临时支护平台与前伸至倾斜顶板，双排距的锚网铺设及拟打锚索定位如图6所示。

图6 双排距施工方案(mm)

单轨液压锚杆钻车临时支护平台支护距离可达4.0 m，结合 9层煤的顶板地质条件，可以将单循环进尺定为2.6 m和3.9 m，实现了一次移机支护2或3排距，一次循环完成掘进进尺2.6或3.9 m，完成临时支护仅需10 min，完全取代了吊环式前探梁。其中现场支护情况如图7所示，双排距施工时，单轨吊锚杆钻机前进至掘进前迎头，展开后进行永久支护作业，W型钢带+钢筋锚网铺设在临时支护平台上，然后液压系统将临时支护平台与前伸至倾斜顶板，与顶板很好的契合在一起。

图7 双排距支护装备现场应用(mm)

4 效果对比

4.1 具体施工情况

从施工情况的不同的角度对原人工风钻工艺与单轨液压锚杆钻车施工工艺进行对比分析，同时考虑到仅以工艺施工为基准，未计算相关配套设备对施工作业正负面影响。“综掘机+人工支护，综掘机+单轨液压锚杆钻车”两者同步施工，不考虑其他因素及特护情况的影响。综合分析各种工艺下的施工人员数量，单循环持续时间，月平均进尺等指标，结果见表2。

表2不同掘进支护工艺整体效果比较

4.2 顶板变形监测

为了掌握两种工艺施工过程中对于巷道围岩的扰动情况，对现场巷道顶板的围岩位移进行监测。对巷道进行测站布置(图8)，沿顶板布设三个监测点，每个监测点之间间隔1 m，对其矿压显现规律进行分析。

图8 顶板监测仪器布置

顶板的变形数据记录如图9所示，由图9可知：

图9 不同工艺的顶板变形数据

1)可以将顶板围岩的变形分为3个阶段：第一个阶段是初始变形阶段，围岩的变形量稳定增加；大约在10天后进入围岩变形加速阶段，在这期间巷道变形急剧增加，巷道变形量占总变形量的50%以上。大约在28天后围岩进入稳定期(第三阶段)，这个阶段的围岩基本处于稳定状态，虽然围岩位移量可能会有所增加，但增量有限。

2)在初始变形阶段，新型配套快速掘进工艺的顶板变形量要大于人工风钻工艺，这是由于装备施工对于围岩的扰动要大于人工作业；第二和第三阶段的变形量要小于人工风钻工艺，这是因为支护装备的打孔深度和精确度要强于人工操作，锚杆锚索对于顶板的支护效果提高。总体上讲，新型配套快速掘进工艺对于围岩的变形控制要优于人工风钻工艺。

5 结 论

1)单轨液压锚杆钻车在新型配套工艺中占据重要位置，不仅能够很好的适应大倾角巷道支护，同时针对于倾斜顶板的类型也能够很好的契合，最重要的是临时支护平台结构实现“零空顶距和多排距”支护施工，对整个快速掘进支护工艺起到非常好的配合作用。

2)新型配套快速掘进工艺不仅能够很好应对复杂的施工环境，在保证安全施工的情况下，大大减少现场施工人员的数量，并且能够进行三排距施工，进一步提高日进尺。其中，月平均进尺达到了392m，提高了42.03%，同时锚杆锚索的精确定位和高质量打孔有利于顶板围岩的变形控制。

3)“大功率综掘机+单轨液压锚杆钻车+自移机尾+小型柴油单轨吊+皮带集控”的新型智能化快速掘进配套工艺作业线，相关设备智能化，全作业流程自动化，该工艺能够针对大倾角煤巷倾斜顶板支护困难的问题，解决复杂地质条件下的大断面煤巷自动化掘进支护问题，对于特殊断面形式的煤巷掘进提供指导。