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弱黏结复合顶板巷道快速掘进技术研究

2023-10-20 70 上传者：管理员

摘要：为实现某矿31106运输巷高效掘进，在巷道掘进地质条件分析基础上，从掘进设备、截割进刀工艺、支护方式以及组织安排等方面对采用的掘进技术工艺进行优化。采用先进的掘进设备，依据现场条件调整截割路径、掘进工序平行作业等，可明显提升掘进机截割破煤岩、围岩支护效率，在满足弱黏结复合顶板支护基础上，实现快速掘进。经现场应用后，巷道掘进进尺提升至350 m/月，巷道掘进效率较应用前（掘进进尺平均180 m/月）明显提升。

关键词：
巷道掘进
弱黏结复合顶板
掘进机
顶板支护
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近几年，在矿井开采中随着先进的、大功率机电设备应用推广，煤炭生产效率及安全保障能力等均得以明显提升[1,2]。相对于煤炭开采技术、设备而言，巷道掘进技术及设备仍有较大的提升空间，采面推进速度快而巷道掘进速度、掘进工程量大等导致矿井普遍面临采掘接替紧张问题[3]。特别是巷道在弱黏结复合顶板条件下掘进时，巷道掘进效率更低，掘进速度较慢[4,5,6]。以山西某矿31106运输巷掘进为工程背景，巷道顶板为复若黏结复合顶板，针对制约巷道快速掘进因素进行分析，并给出掘进工艺及支护措施，实现了巷道快速掘进。

1、31106运输巷概况

山西某矿设计产能380万t/a，回采煤层包括2号、3号、7号、11号及12号等，矿井为高瓦斯矿井，正常生产期间绝对、相对瓦斯涌出量分别为36m3/min、7.1m3/t。现生产集中在11号煤层，11号煤厚7.3m、倾角3°～10°，煤层中有3～5层碳质泥岩、泥岩夹矸，厚度合计0.5～1.7 m。31106运输巷沿着11号煤层顶板掘进，长度2 890 m，采用综掘方式，使用综掘机型号为E-BZ-100E，围岩采用锚网索支护方式。根据已有地质资料显示，在31106运输巷掘进范围内11号煤层基本顶为粉砂岩，质地较为密实，厚度均值2.38 m，部分区域夹杂有菱铁质薄层结构；直接顶为泥岩、细砂岩复合顶板，泥岩裂隙发育且含植物化石，细砂岩主要成分为石英砂，并含有一定量长石，直接顶厚度均值4.2 m；伪顶为0.3～0.9 m泥岩、碳质泥岩，强度较低；直接底为泥岩，厚度3.5 m；基本底为石灰岩，厚度10.8 m，坚硬。

31106运输巷在掘进过程中受现场条件制约，巷道实际掘进进尺仅为180 m/月，通过分析发现制约巷道掘进效率提升的因素为：31106运输巷所在区域内地质构造较为复杂，预计掘进期间会揭露多条落差介于0.8～3.6 m断层，在断层影响区会影响掘进速度；运输巷沿着11号煤层顶板掘进，而煤层顶板为典型的复合顶板，整体结构不太完整，导致巷道在掘进期间容易出现冒顶、片帮以及围岩变形量大等问题；复合顶板会给31106运输巷成型带来影响，在顶板结构影响下巷道掘进工作开展难度较高，导致巷道无法实现快速掘进。

2、31106运输巷快速掘进优化

2.1 掘进设备选型优化

合适的掘进设备是保障巷道快速掘进的基础，在选用掘进设备时应综合考虑下述因素：掘进设备应具备较好的经济性，且设备与井下现有的运输等辅助设备配套；掘进设备应有一定的富裕度，以便保证不同设备间可合理配合，实现掘进系统高效运转；由于31106运输巷掘进区域地质条件、顶板条件相对较为复杂，因此选用的掘进机应在截割深度、功率及截割高度等方面有较强的适应能力，具备有较快掘进速度及灵活性[7,8,9]。

根据上述分析并结合矿井现场情况、掘进设备配备情况，决定在31106运输巷选用EBZ200掘进机掘进，该掘进机具备有较好的爬坡性能、截割齿破岩效率高、智能化程度高，同时设备运行时发热量低、日常维护及检修工作量小，可大幅减少设备故障引起的掘进停止问题。

2.2 快速掘进工艺

2.2.1 截割工艺优化

掘进用的EBZ200掘进机截割齿排列紧密，设备运行工况可达到325 kW，能有效提升掘进破煤岩效率。综掘机截割效率与截割进刀路径有密切关联。因此针对顶板条件相对较好、顶板破碎两种条件采用不同的截割路径，以便进一步提升截割效率。根据现场地质条件变化选用合适截割路径，具体如图1所示。当掘进区域内巷道围岩条件相对较高，则综掘机截割部采用中心进刀后逐步向四周刷扩方式掘进，具体截截割路径如图1-1所示；当掘进区顶板破碎、稳定性较差时，将截割面划分前后顺序并逐渐截割，通过减少截割过程中顶板空顶及悬空面积，提高掘进安全性同时不会给巷道掘进效率产生明显影响，具体截割工艺为：先截割掘进面1/3宽度，此部分截割完成后再截割剩余部分，截割路径如图1-2所示。

图1 综掘机截割头截割路径

2.2.2 作业工序优化

对以往巷道掘进作业过程进行分析，在巷道掘进时支护耗时占整个掘进时间50%以上，若对作业工序进行优化，在巷道支护时平行开展其他一些工作，即可显著提升巷道掘进效率。巷道支护时锚杆及锚网支护施工相对简单，但是在锚杆安装时需暂停掘进作业，在对作业工序进行优化时可对巷道围岩中容易失稳位置进行支护，其余位置支护则支护迎头10～20 m开展，从而实现部分支护与掘进工作平行开展，降低支护对掘进影响，实现不同工序交叉平行作业，具体工作安排如图2所示。在帮锚杆施工时可平行开展延长带式输送机工作、在掘进机维护期间可延伸供电电缆等，通过多工序平行作业，提高工作效率。

图2 多工序平行作业示意图

2.3 掘进支护工艺优化

巷道采用锚杆支护围岩，采用的围岩支护技术耗时长，难以满足31106运输巷高效掘进需要，同时31106运输巷顶板为弱黏结复合顶板，在掘进时顶板冒落风险较高，导致临时支护耗时长且管理难度高，后续顶板锚网容易形成网兜。为此，对31106运输巷采用的支护工艺进行优化，具体支护方案为：首先在巷道迎头顶板布置7根锚杆，将巷道顶板最大空顶距控制在2 m以内；巷帮8根锚杆滞后掘进迎头10 m开始，降低巷帮锚杆施工对掘进影响；顶板锚索之后掘进迎头20 m开始，降低顶板锚索施工对掘进影响，具体巷道支护断面如图3所示。

图3 巷道支护断面（单位：mm)

2.4 作业循环优化

在巷道掘进时需消耗大量的人力及物力资源，且工作人员劳动强度较大，虽然综掘设备应用可在一定程度降低工作人员劳动强度，但是工作人员作业效率会明显影响掘进效率。结合31106运输巷现场地质条件、掘进队人员配置等情况，巷道掘进采用“三·八”作业循环方式，中班及晚班进行掘进及围岩支护，早班进行检修及设备维护，同时中班负责支护质量检查工，以便发现支护质量问题及时处理，提高支护体系支护强度。

3、结论

对影响31106运输巷快速掘进因素进行分析，巷道顶板为复合顶板以及掘进区域内地质构造相对复杂是导致巷道掘进效率不高的因素之一，同时掘进设备、支护安排等也会在一定程度影响掘进进尺。为实现31106运输巷高效掘进，根据现场条件选用E-BZ200掘进机破煤岩，充分发挥掘进机可靠性强及功率大优点。

对掘进截割进刀、支护及循环作业方式等进行优化。在地质条件较好、顶板较稳定区域采用中间进刀方式，实现快速掘进；在顶板破碎、稳定性不佳区域则通过分部进刀方式截割，便于提高顶板稳定性并提高截割效率。顶板锚杆仅跟迎头支护、巷帮锚杆滞后迎头10～20 m、顶板锚索滞后迎头20 m支护，在满足围岩控制需要同时降低支护给掘进影响。现场应用后，31106运输巷掘进进尺可达到350 m/月，不仅可实现弱黏结复合顶板控制需要，而且提高了巷道掘进效率。31106运输巷耗时8.3个月即可完成掘进，可为31106工作面早日投产争取时间。

参考文献:

[1]卓军,范凯,刘少伟,等.弱黏结复合顶板巷道快速掘进支护关键技术与装备[J].煤炭技术,2022,41(3):80-82.

[2]祁雨鹏.赵庄煤矿1312运输巷道复合顶板围岩控制技术研究与应用[J].煤,2021,30(7):65-67.

[3]孙辉.复合顶板巷道快速掘进技术实践分析[U].中国矿山工程,2021,50(1):65-67.

[4]缑剑英.复合顶板巷道快速掘进技术实践分析[J].矿业装备,2020(5):26-27.

[5]刘晓东.复合顶板巷道快速掘进技术实践分析[J].煤炭与化工,2019,42(7):18-21.

[6]宋惠佳.复合顶板巷道快速掘进技术实践分析[J].江西煤炭科技,2019(2):157-159.

[7]骈丽军.复合顶板煤巷快速掘进工艺技术探讨[J].水力采煤与管道运输,2015(3):68-72.

[8]徐宝松.急倾斜中厚煤层复合顶板破顶巷道掘进联合支护设计[J].科技风,2010(4):122.

[9]王学军.四台矿特殊条件下复合顶板巷道掘进技术[J].煤炭科学技术,2008,36(12):22-24.

文章来源:魏海礁.弱黏结复合顶板巷道快速掘进技术研究[J].机械管理开发,2023,38(10):102-104.