复合顶板巷道快速掘进技术研究

刘 伟

（山西焦煤汾西矿业中兴煤业公司， 山西 交城 030500）

0 引言

复合顶板巷道掘进时，受到围岩控制难度高、顶板力学性质差以及破碎等问题影响，巷道支护耗时较长，在一定程度上制约了巷道掘进效率[1-3]。同时由于煤矿巷道掘进技术在一定程度上制约开采技术，煤炭高强度开采后导致采掘失稳问题较为突出。实现复合顶板巷道快速掘进，对提升煤炭生产效率有显著促进意义[4-5]。山西某矿7704 运输巷顶板为典型的复合顶板，围岩采用高密度锚杆索支护，支护时间占整个掘进时间的1/2 以上，导致巷道掘进效率偏低。以7704运输巷掘进为工程背景，结合现场地质条件、掘进及支护工艺，对制约巷道掘进效率的因素进行归纳分析，并针对性提出快速掘进技术，实现复合顶板巷道快速掘进。

1 7704 运输巷概况

山西某矿核定产能为450 万t/a，批准开采煤层包括2 号、3 号、7 号、11 号及13 号等，井田开采范围内地质构造不发育，煤层赋存稳定。7704 综采工作面设计推进长度为2 650 m，受区域断层构造影响，采面切眼有120 m、180 m、220 m 等规格，具体采面布置如图1 所示。7704 运输巷设计掘进长度2 660 m，沿着开采的7 号煤层底板掘进，煤层厚度3.2 m，赋存较为稳定，煤层顶板岩性以砂质泥岩、碳质泥岩及砂岩等为主，为承载能力及稳定性相对较差的复合顶板。

图1 7704 综采工作面位置示意图

7704 运输巷净宽×净高=4 800 mm×3 200 mm，设计采用锚网索支护围岩，具体支护断面如图2 所示。顶板用规格Φ20 mm×2 000 mm 螺纹钢锚杆（布置间排距840 mm、900 mm）、规格Φ17.8 mm×7 200 mm锚索（布置间排距为2 520 mm、2 700 mm），并配合菱形金属网护顶。巷帮用规格Φ20 mm×2 000 mm（间排距900 mm、900 mm）支护，在采面帮采用高分子网护表，在煤柱帮使用菱形金属网护表。

图2 运输巷原支护断面（单位：mm）

2 制约巷道快速掘进因素分析

2.1 地质条件

巷道所在区域内地质条件决定掘进、支护等难易程度，当巷道掘进遇到断层、煤相变化或者夹矸等情况时会进一步影响巷道掘进。7704 运输巷沿着7 号煤层底板掘进，煤层顶板为复合顶板，影响支护强度及支护耗时；7 号煤层内有1～3 层夹矸，夹矸层厚度合计为0.1～0.25 m，对掘进有一定影响。

2.2 掘进及支护工艺

7704 运输巷采用EBZ-160 型掘进机破煤岩并配合单体锚杆钻机支护，掘进与支护作业交替进行。EBZ-160 掘进机掘进单个排距后采用临时支护设备护顶，锚杆钻机开始钻进锚杆（索）钻孔并进行永久支护；支护完成后进行下一循环掘进及支护。巷道掘进涉及多个环节，各环节间相互高效配合是实现高效掘进的前提。7704 运输巷巷道顶板采用4 根长度2 m锚杆、2 根长度7.2 m 锚索，巷帮布置8 根长度2 m 锚杆，根据锚杆、锚索布置间排距计算得到每米巷道需要钻进32 m 锚杆（索）钻孔，钻孔深度越深则钻进耗时越长，同时巷道整个断面锚杆（索）钻孔钻进工程量偏高，导致支护耗时偏长，降低了掘进效率。

7704 运输巷采用“三八制”，采用掘一锚一方式，在现有掘进及支护方式下巷道掘进进尺平均为260m/月，无法满足采面煤炭高效回采需要。

3 巷道快速掘进技术

3.1 支护优化

为提高巷道掘进效率，依据7704 运输巷现场地质条件，提出采用柔性锚杆对巷道顶板进行支护，具体支护参数为：巷道顶板采用4 根规格MSGR-1860/18 型柔性锚杆（Φ17.8 mm×4 080 mm），按照1 400 mm、1 200 mm间排距布置。柔性锚杆采用2 支型号CK2360 树脂锚固剂锚固，确保锚固力在150 kN以上，托盘为规格300 mm×300 mm×10 mm 钢托盘，配合采用W 钢带、金属网强化顶板支护；顶板用柔性锚杆，外露长度控制在250 mm 以内，锚杆支护后施加250 N·m 以上扭矩。顶板用金属网的网孔规格为50 mm×50 mm，长、宽分别为3 500 mm、1 300 mm。

巷道两帮采用4 根规格均为Φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆支护，按照900 mm、1 200 mm 间排距布置；巷帮锚杆锚固用1 支CK2360 树脂锚固剂锚固，确保锚固力在50kN以上，使用的托盘为规格150mm×150 mm×10 mm 拱形钢托盘；锚杆外露长度控制在50 mm 以内，锚杆布置完成后施加150 N·m 扭矩。采面帮、煤柱帮分别采用高分子网、菱形金属网护表。具体巷道优化后巷道支护断面如图3 所示。通过对巷道支护参数进行优化，达到减少围岩支护耗时目的。

图3 优化后支护断面（单位：mm）

3.2 快速掘进工艺

在7704 运输巷掘进时采用“大- 小”循环施工工艺，在巷道迎头安全情况下，使得迎头人员组织最优、工程量最小。考虑运输巷采用综掘机配合锚杆钻机掘进，具体多工序平行作业方式为：

小循环：每个小班完成多个小循环施工，小循环涉及割煤，运输，铺设支护金属网、顶部柔性锚杆以及巷帮锚杆等，其中割煤、支护工作顺序开展。

小循环实施工艺如下：

1）割煤。综掘机完成第一次割煤，割煤宽度、深度分别为3.2 m、1.2 m；综掘机向后移机，并将截割头布置在迎头煤壁位置；综掘机进行第二次割煤，割煤宽度、深度分别为1.6 m、1.2 m。具体综掘机割煤工艺如图4 所示。

图4 综掘机割煤工艺（单位：mm）

2）顶板及巷帮支护。综掘机完成第二次割煤后移1.2 m，截割头落地，开始对顶板及巷帮进行支护。支护开始时先支护顶板柔性锚杆以及两帮靠近顶板锚杆，其余巷帮锚杆滞后顶板柔性锚杆2 排布置，使得迎头顶部锚杆与滞后的巷帮锚杆可平行工作。

3）重复上述割煤、移机以及围岩支护过程，完成小循环掘进。大循环：清底、扫尾、延长输送皮带以及风水管路，依据矿压显现特征、围岩岩性等完成局部巷道补强支护工作。

4 现场应用效果

在7704 运输巷采用快速掘进工艺后，巷道掘进效率显著提升，围岩支护耗时有所降低，根据现场监测发现巷道掘进月进尺平均为389 m，综合掘进速度提升53.5%，实现了复合顶板巷道快速掘进。

对围岩支护参数优化后，布置测点监测围岩变形，具体结果如图5 所示。从图5 中看出，采用优化后的围岩支护参数，随着与掘进迎头距离增加（掘进时间增加），巷道顶板、两帮收敛量均呈现集聚增加- 平稳趋势，在距离掘进迎头80 m 以后围岩变形基本不再增加，其中两帮、顶板最大变形量分别为24mm、19mm，表明采用的支护方案可实现围岩有效控制。具体巷道现场支护情况如图6 所示。

图5 围岩变形监测曲线

图6 巷道现场

5 结语

根据7704 运输巷现场地质条件、掘进及围岩支护工艺等，对制约巷道快速掘进因素进行分析，发现围岩支护耗时长、地质条件差、掘进各工序配合有待优化等是导致掘进效率较低的主要原因。提出将柔性锚杆应用到7704 运输巷支护中，替代锚杆+锚索方式对复合顶板进行支护，以便达到提高支护效率、降低支护耗时目的；对掘进工艺优化，小循环、大循环部分工序平行作业，提升掘进效率。现场应用后，巷道掘进月进尺提升至389 m，同时巷道围岩变形稳定，实现了复合顶板巷道快速掘进。