弱胶结软岩巷道掘进支护模式及工艺优化.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.024弱胶结软岩巷道掘进支护模式及工艺优化（1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）摘要 随着煤矿机械化、自动化、智能化技术与水平的不断发展，巷道掘进支护装备及模式也得到了广泛发展。结合红庆梁煤矿实际，以弱胶结软岩巷道掘进支护装备与工艺为基础，总结弱胶结软岩巷道掘进支护模式，对掘进支护工艺进行优化研究。研究结果表明，我国煤巷掘进支护装备工艺有 5 种不同模式，其中应用最广的是综掘机+不同支护装备模式；红庆梁煤矿弱胶结软岩巷道掘进支护模式有 3 种组合，其中综掘机+四臂钻车的效率最高，综掘机+锚杆钻车的效率次之，综掘机+单体锚杆机的效率最低；通过理论分析及理论计算，将掘进和支护工艺优化后，支护效率提升了约 78.57%，有利于保障矿井的正常采掘接替。关键词 弱胶结软岩；掘进支护工艺；工艺优化中图分类号TD353文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0078蛳 040引言我国煤炭资源储量丰富，约占世界煤炭总储量的 13%，是世界上煤炭生产和消费大国，以煤炭为主的能源消费结构在未来 20 年内不会发生根本改变咱员原猿暂。近年来，随着煤矿开采机械化和智能化的提高，巷道掘进支护装备及回采装备得到飞速发展，但采掘失衡的问题在煤矿开采过程中仍较严重。为最大程度地适应当前煤炭的高效生产节奏，改善采掘不平衡现状，亟需对煤矿巷道的快速掘进技术进行研究咱源暂。近年来，众多国内外学者对巷道快速掘进及支护工艺优化进行了深入研究。白伟等咱缘暂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，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；葛勇咱远暂通过优化施工作业流程、科学调整工序和支护参数，对部分巷道采用“初次支护+后续支护”的工序，增大了平行作业空间，大幅提高了支护速度；谢廷深等咱苑暂结合红阳三矿西一采区 15#面回风半煤岩巷的工程地质背景，梳理了影响半煤岩巷快速掘进的因素，提出了促进半煤岩巷快速掘进的对策，并对半煤岩巷快速掘进工艺进行了优化，能够在同类地质条件下推广应用；李晶昆等咱愿暂通过对陕西彬长孟村煤矿大断面岩巷工作面采用快掘系统装备进行研究，为矿井及公司的岩巷快速掘进技术发展积累了经验；叶平等咱怨暂对掘进机械设备进行配套选型，依据矿井现有技术力量配备了机械化作业线，对掘进工艺进行优化，实现了复合软岩地质条件下回采巷道的快速掘进，有效地解决了矿井接续困难的问题；郭向前咱员园暂通过对围岩变形原因分析，提出了采用管棚超前支护及围岩注浆加固措施，并对掘进工艺技术进行改进，巷道掘进速度得以大幅提升。众多快速掘进的研究，为煤矿掘进支护工艺的优化提供了充足的依据，但对于弱胶结软岩条件下巷道掘进及支护优化仍需深入研究。本文拟采用现场调研及理论计算的方法，以弱胶结软岩巷道掘进支护装备与工艺为基础，结合红庆梁煤矿实际，提出弱胶结软岩巷道掘进支护模式，分别对掘进工艺及支护工艺进行优化研究。1煤矿巷道掘进支护装备与工艺1.1煤矿巷道掘进装备目前煤矿巷道掘进装备常用的有综掘机、掘锚一体机以及连采机，其中综掘机应用最广，约占90%。不同掘进装备存在不同优缺点，综合对比综掘机、掘锚一体机和连采机 3 种掘进装备，连采机的掘进巷道断面尺寸小于综掘机与掘锚一体机；综掘机机器整体尺寸小于掘锚一体机与连采机，适用范围与掘进能力高于掘锚一体机与连采机。下面分别从型号、可掘断面尺寸、机器尺寸及优缺点等简单介绍几种常见掘进装备，具体如表 1所示。能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4782023 年 8 月Aug.,2023李景涛，等弱胶结软岩巷道掘进支护模式及工艺优化1.2煤矿巷道支护装备相对应掘进装备，支护装备也种类繁多。支护装备可分单体锚杆机和锚杆钻车 2 种。本文列举了几种煤矿常用支护装备，如表 2 所示。表 1掘进装备对比掘进机类型可掘断面尺寸/m机器尺寸/m优缺点及适用性评价宽高长宽高综掘机EBZ260H6.15.011.82.92.0截割稳定性好，截割能力强，但掘支不同步导致掘支不平衡，影响掘进效率，适用于单轴抗压强度100 MPa 且坡度17毅的煤EBZ220H5.714.610.32.71.85EBZ160T5.54.010.92.812.1掘锚一体机EJM340/4-25.53.811.645.52.6可同步完成掘进和支护作业，全宽截割滚筒一次成巷，但费用相对较高，适用于单轴抗压强度 40 MPa 且坡度16的煤EJM340D6.05.011.836.03.0EJM340/4-2H5.53.811.645.52.6连采机EML3403.34.6511.253.32.4采掘一体化、高效灵活、投资小、见效快，但可掘进尺寸较小，适用于单轴抗压强度40 MPa 且坡度17毅的煤EML340A3.34.6511.313.31.95EML340B3.32.511.253.31.15综合对比几种钻车，单体锚杆机相较于锚杆钻车，支护效率低，但其灵活性高，可更好地适应井下各种环境。对比两臂锚杆钻车和四臂钻车 2 种支护装备，总的来说两者尺寸相差不大。但四臂钻车相较于两臂锚杆钻车的可支护尺寸更大，同等条件下可支护更大断面。1.3掘进支护工艺及效率目前，我国煤巷掘进装备已经实现了掘、支、装、运机械化，主要掘进支护模式有综掘机+锚杆钻车、连采机+锚杆钻车、掘锚一体机和 TBM 机组 4种类型。据调研，党家河矿采用的掘进机组，单体锚杆机支护时，其每月掘进进尺约为 188 m；长平矿应用锚杆钻车后，掘进速度最大可达 250 m/月；泊江海子煤矿引进掘锚一体机后，掘进进尺平均每月可达450 m 以上。TBM 机组相较于其他掘进装备应用较少，在神华台格庙煤矿斜井工程、神东补连塔煤矿工程等项目中有着比较成功的应用先例，TBM 机组可实现自动化、少人化，实现智能化掘进，但其运输、组装、解体等的费用高，初期投资高，煤矿应用情况较少。2红庆梁煤矿弱胶结软岩巷道掘进支护模式2.1红庆梁煤矿工程地质概况目前，红庆梁煤矿主采 3-1 煤，埋深在 480550 m，分为 2 个盘区。一盘区单翼开采，共布置 8个工作面，工作面走向长度约为 4 000 m，倾向长度约为 270 m。11301、11302、11303 工作面已采完，11307 工作面正在回采，11304 工作面正在掘进；二盘区为双翼开采，布置的 12308 工作面已掘完，准备回采。3-1 煤煤层结构较简单，呈黑色，条痕为褐黑色，沥青光泽，参差状、棱角状断口，条带状结构，层状构造，暗淡型煤。一盘区煤层厚度为 2.986.40 m，平均厚度为 4.7 m，煤层倾角 0毅6毅，平均 3毅；二盘区煤层厚度为 5.26.85 m，平均煤厚 6.02 m，煤层倾角1毅2毅，平均 1.5毅。3-1 煤顶板岩层主要为砂质泥岩等软岩层，砾岩层位较高，煤层底板以砂质泥岩为主，其中顶底板砂质泥岩单轴抗压强度为 15.35 25.71 MPa，具有强度低、胶结性较差、遇水易崩解等特性。3-1 煤顶底板岩性如图 1 所示。表 2煤矿常用支护装备钻机名称钻机类型支护断面尺寸机器外形尺寸适用范围单体锚杆机ZQS-60/2.0S巷道断面6 m2的巷道-岩石硬度6 的煤巷、半煤巷的煤帮锚杆支护作业MQT-130/2.8MQT-130/3.2两臂钻车四臂钻车CMM2-25CMM4-25CMM4-20高：6.0 m宽：4.2 m高：4.56.0 m宽：2.65.1 m长：6.14 m宽：1.40 m高：2.385 m长：6.487.23 m宽：3.33.4 m高：1.62.4 m适用于巷道宽度小于 6 m 巷道的锚杆（索）锚护适用于巷道宽度小于 6 m、煤层厚度为 1.85.1 m中厚煤层巷道的锚杆（索）锚护792023 年 8 月Aug.,2023图 13-1 煤顶底板岩性大致分布地层总体为西南倾向 210毅230毅，整体小褶曲和小的断层较发育，煤层波浪起伏发育，煤层赋存较稳定，并且顶、底板岩层松软、破碎。区域内地质构造总体走向表现为 NW 向延展，水文地质条件简单。2.2掘进支护模式及效率根据现场调研，总结红庆梁煤矿掘进支护模式如图 2 所示。图 2掘进支护工艺流程红庆梁煤矿目前所用的掘进设备为综掘机；支护设备有单体锚杆机、锚杆钻车以及四臂钻车；掘进模式分别为综掘机+单体锚杆机、综掘机+锚杆钻车以及综掘机+四臂钻车 3 种模式。通过现场调研，总结以下几种掘进支护工艺及模式如表 3 所示。表 3掘进支护工艺及模式掘进支护模式掘进工艺支护工艺循环进尺/m最大空顶/m最大空帮/m支护方式支护参数掘进机+单体锚杆机23.56.5锚杆+锚网+锚索+钢带锚杆每排 18 根，间排距 700 mm1 000 mm；锚索 1.5 根/m，3-3-3 矩形布置，间排距 1 600 mm2 000 mm掘进机+锚杆台车23.56.5锚杆每排 18 根，顶部锚杆间排距 700 mm1 000 mm，帮部锚杆间排距 800 mm1 000 mm；顶部锚索呈 3-3-3 布置，间排距 1 800 mm2 000 mm掘进机+四壁钻车大循环 4小循环 22.54.5顶部锚杆间排距 700 mm1 000 mm，两帮锚杆间排距800 mm1 000 mm；锚索间排距 1 800 mm2 000 mm，呈3-3-3 布置红庆梁煤矿采用“三八”制作业，即 2 个班生产，1 个班检修。其中 11302 胶带顺槽采用的掘进支护模式为综掘机+单体锚杆机，顺槽每日平均掘进进尺 67 m，平均每月进尺 202 m；11303 胶带顺槽掘进工作面采用综掘机+锚杆钻车的掘进支护模式，每日掘进进尺 10 m 左右，平均每月进尺 292 m；12308 胶运顺槽掘进工作面采用综掘机+四臂钻车的掘进支护模式，每日掘进进尺约 12 m，平均每月进尺 360 m。单从月进尺看，综掘机+四臂钻车的效率最高，其次是综掘机+锚杆钻车的组合，最后是综掘机+单体锚杆机的组合。红庆梁煤矿总体掘进支护效率较低，仍可优化提高。3红庆梁煤矿弱胶结软岩巷道掘进支护工艺优化红庆梁煤矿目前掘进支护工作存在一些问题，其支护参数大、支护强度高等因素导致掘进支护效率偏低。下面分别从掘进和支护 2 个方面进行简单优化，以提高掘进、支护效率。3.1掘进工艺优化对于围岩条件较差，需在掘进后及时支护的情况，采用如图 3 所示的截割方式。即分 2 次进行截割，首先截割巷道宽度的 1/3，然后对剩余的 2/3 进行截割；采用从下往上的截割方式。这种方法可减少顶板悬空时间，保证支护质量，从而提高掘进速度。针对红庆梁煤矿弱胶结顶板煤层的特性，将掘进截割顺序先掘进大断面，改为先掘进小断面，如图 4 所示。图 3优化前综掘机图 4优化后综掘机截割顺序截割顺序3.2支护工艺优化进行支护工艺优化时，在不改变支护参数的前1122砂泥质结构，层状构造，半坚硬，为弱胶结软岩，整体胶结性较弱，厚度为 17.8822.59 m黑色块状，以暗煤为主，亮煤次之，弱沥青光泽，条带状构造，厚度为 2.986.4 m砂泥质结构，层状构造，半坚硬，为弱胶结软岩，整体胶结性较弱，厚度为 13.4843.1 m砂质泥岩砂质泥岩煤掘进 1 个大循环（3 人操作综掘机，2 人看皮带，2 人备料）支护（8 人）延皮带掘进 1 个大循环支护（四臂钻车，6 人）设备检修准备支护材料掘进支护支护支护掘进 1 个小循环掘进 1 个小循环（3 人迎头作业：1 司机，1 辅助，1 看 皮带；3 人看巷道内皮带，2 人四臂钻车补强支护；2 人备料）能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4802023 年 8 月Aug.,2023提下，可优化部分支护顺序。除此之外，在保证顶板不发生冒落的前提下，先支护少部分锚杆（索），减小支护参数，以此提高掘进支护效率。分别对 3 种支护顺序进行计算对比：支护 1 根锚索，此时所需支护锚杆根数；支护 2 根锚索，此时所需支护锚杆根数；支护 3 根锚索，此时所需支护锚杆根数。具体计算分析如下：支护 1 根锚索时，需要几根锚杆。根据锚索悬吊重量理论：h=L0-L1-L2=5.4（m）（1）式中：h 为锚固岩体长度，m；L0为锚索长度，L0=7.3 m；L1为锚索外露段，L1=0.3 m；L2为锚索锚固长度，L2=1.6 m。上部锚固区岩体重量 G：G=姿 h b l=1 566.0（kN）（2）式中：姿为岩层密度，姿=25 kN/m3；h 为岩层厚度，h=5.4 m；b 为锚固区宽度，b=5.8 m；l 为锚固区长度，l=2.0 m。单根锚索设计锚固力为 580 kN，取 400 kN，按 1 根布置，锚固力为 400 kN，因此还需锚固力1 166 kN。单根锚杆设计锚固力为 190 kN，取100 kN，因此还需要锚杆：1 166100=11.66 根，取 12 根。即还需要 12 根锚杆就能满足锚固力的要求。根据调研，支护 1 根顶部锚杆，平均用时为5 min，支护 1 根锚索，平均用时 15 min。优化前，16 根锚杆+3 根锚索全打用时约为：165+315=125（min）优化后，12 根锚杆+1 根锚索用时约为：125+115=75（min）优化后效率提升了：（1/75-1/125）/（1/125）100%=66.67%同样的，经计算，支护 2 根锚索时，还需 8 根锚杆，优化后效率提升了 78.57%；支护 3 根锚索时，还需 4 根锚杆，优化后效率提升了 66.67%。优化前后支护效率对比如表 4 所示。表 4优化前后支护效率对比优化前支护优化后支护优化效果锚索数/根锚杆数/根支护用时/min锚索数/根锚杆数/根支护用时/min提升效率/%316125123128675707566.6778.5766.67单从锚杆、锚索支护用时对比来看，优化后先打 2 根锚索、再打 8 根锚杆的效率最高；其次是先打 1 根锚索、再打 12 根锚杆和先打 3 根锚索、再打6 根锚杆时的效率相近。3.3优化后的掘进支护工艺及效率分析掘进装备采用综掘机，支护装备采用四臂锚杆钻车，采用“三八”制作业，2 班生产，1 班检修。掘进方式采用单巷、留顶煤掘进，巷道一次成形。综掘机司机在激光指向仪的导向下，在工作面煤壁进行截割，直至割入煤壁深度达到 1.0 m。掘进时分 2 次进刀，先截割小断面，后截割剩余宽度断面。巷道顶板锚杆索相对位置关系如图 5 所示。根据上述计算，在不改变当前支护参数的前提下，锚索先打 1#和 3#，锚杆 2 排，一排 1、3、5、7，另一排 2、4、6、8，呈三花布置，使岩层更稳定，剩余锚索、锚杆最多可滞后 60 m 补打。支护后再次进行掘进工作，循环掘进支护工作。经过分析可知，调研前综掘机+四臂锚杆钻车的组合每月最高可掘进 360 m，优化后支护效率提升了 78.57%，正常掘进时顶锚杆、锚索的弱化支护等原因，可节省大量时间用做掘进及后续补全支护。4主要结论本文在弱胶结软岩巷道掘进支护装备与工艺的基础上，结合红庆梁煤矿实际，提出弱胶结软岩巷道掘进支护模式，对掘进支护工艺进行优化研究，主要研究结论如下：（1）红庆梁煤矿弱胶结软岩巷道快速掘进支护模式有综掘机+单体锚杆机、综掘机+锚杆钻车以及综掘机+四臂钻车 3 种模式，其中综掘机+四臂钻车的效率最高；其次是综掘机+锚杆钻车的组合；最后是综掘机+单体锚杆机的（下转第 140 页）图 5巷道顶板锚杆索相对位置关系1234567812345678123能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4812023 年 8 月Aug.,2023（上接第 81 页）组合掘进效率最低。（2）通过理论分析，对掘进工艺进行简单优化，调整截割顺序，更适用于弱胶结软岩条件下的掘进支护。通过理论计算，对支护顺序进行优化，将之前的全断面支护顺序优化成先打 2 根锚索、再打 8 根锚杆的顺序，支护效率可提升约 78.57%，有利于保障矿井的正常采掘接替。参考文献1谢和平，王金华，王国法，等.煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想 J.煤炭学报，2018，43（5）：1187-1197.2钱鸣高，许家林，王家臣.再论煤炭的科学开采 J.煤炭学报，2018，43（1）：1-13.3王金华，康红普，刘见中，等.我国绿色煤炭资源开发布局战略研究 J.中国矿业大学学报，2018，47（1）：15-20.4田双.煤矿大断面巷道快速掘进技术研究 J.煤矿现代化，2018（1）：34-36.5白伟，蔚保宁.韩城矿区岩巷快速掘进工艺技术研究 J.煤炭技术，2021，40（12）：46-50.6葛勇.巷道快速掘进工艺的合理配置 J.现代矿业，2015，31（1）：201-202.7谢廷深，宋景利，刘兆辉.半煤岩巷快速掘进技术研究 J.内蒙古煤炭经济，2021（1）：47-48.8李晶昆，白杨，常波波，等.大断面岩巷炮掘工作面机械化快速掘进技术装备与应用 J.陕西煤炭，2021，40（6）：132-135.9叶平，曹静，秦广鹏.复合软岩顶底板大变形回采巷道快速掘进技术 J.现代矿业，2012，27（5）：9-11.10郭向前.泥化软岩巷道支护及快速掘进技术研究 J.能源技术与管理，2018，43（4）：50-52.作者简介李景涛（1979-），男，高级工程师，硕士，长期从事煤矿建设、生产管理工作。收稿日期：2022-12-073某井巷工程牛鼻子交岔点施工质量控制技术3.1轮尺线控制根据以往施工经验，每次循环平均进尺为 2 m，在现场实际施工过程中以每 2 m 一循环画施工轮廓线，高度每循环抬高 250 mm。3.2巷道成型控制（1）根据岩性掌握终孔与轮廓线的距离（岩性正常外偏 100 mm，岩性较差内偏 100 mm）。（2）周边眼的间距。正常情况 300 mm，岩性较差时，缩小间距或施工空眼。（3）拱顶眼杜绝高射炮，保持孔与岩面的垂直度。（4）根据岩性调整周边眼的药量，最多为 2 卷药（0.6 kg）。（5）岩性差的情况下，减少装药量到 1 卷（0.3 kg）；有空眼情况下，可不装药。（6）光面爆破，要求周边眼采用全部封泥，其余炮眼封泥长度不少于 600 mm。3.3临时支护根据左帮斜率的变化，巷道宽度逐排增加，每增加 1 m，增加 1 根临时支护单体柱。3.4牛鼻子保护为保护牛鼻子，在进入牛鼻子掘进牛鼻子左右两巷道时，将掏槽眼向两侧实体帮各平移 0.5 m，靠近牛鼻子的周边眼及辅助眼的打眼间距比正常缩小 1 半，隔眼装药或每眼减少装药量为原来的 1/3。4结论交岔点施工一直是井巷工程的一个技术难题，其开挖方法一般分为一次成巷法和分台阶开挖成巷法。其中分台阶开挖成巷法随巷道高度的增加采用上中下 3 个台阶光面爆破，根据斜率现场控制炮眼的角度和深度。使用该方法可开挖至设计宽度及高度，在保证中线和腰线控制方法相同的情况下，用变化拱基线控制坡度，无论牛鼻子宽度是否足够，都可在靠近牛鼻子的周边眼及辅助眼采取倍数正常打眼间距或每眼减少装药量的方法，在不同坡度中布置交叉点，即可保证牛鼻子施工进度快、质量好和成型美观。本文对交岔点施工测量进行优化，简化施工数据，同时对施工人员进行现场技术指导，在满足交岔点弧形控制和连续渐变的要求下，保证交岔点牛鼻子施工进度快、质量好、成形美观，可在类似施工中应用推广。参考文献1王刚.井巷工程牛鼻子交岔点顶高、帮宽及弧形开挖的控制 J.煤炭工程，2012（5）：33-35.2 种波凯.牛鼻子交岔点巷道一次成巷施工技术 J.中州煤炭，2015（3）：86-66.作者简介杨鑫（1987-），男，矿建工程师，工程硕士，毕业于太原理工大学矿业工程专业，长期从事矿井基本建设工作。收稿日期：2022-04-12能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4140