煤矿巷道快速掘进支护方案优化研究

煤矿巷道快速掘进支护方案优化研究

张玉林

陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿  715300  陕西渭南

摘要：随着人们对煤矿需求需求量的逐年增多，促进对煤矿井下综采作业要求的不断提升。近几年，由于我国科技不断进步，掘进设备持续发展，掘进速度不断持续提升，很大程度上缩短了工作面进行投产所使用的时间。工作面推进速度加快造成了煤层应力和工作面顶板环境变化，原支护不能使巷道快速掘进的所有需求得到满足。本文就煤矿巷道快速掘进支护方案优化展开探讨。

关键词：巷道掘进；支护方案；优化

引言

现阶段，提升煤矿井下巷道掘进速度成为了煤炭行业发展的关键。传统掘进作业模式无法实现掘进、支护、运输的平行作业，同时还会产生大量粉尘，井下巷道掘进速度很难提升，再加上复杂的地质条件加大了开采难度，需要采取更加牢固的支护方式和平稳的掘进方案才能完成开采计划。

1工程概况

某煤矿当前的生产能力为每年200万吨，矿井开采多年，矿井周边的老窑较多。从当前该煤矿采取的开采方式来看，仍旧沿用的是传统的采掘方式，不能满足煤矿开采需求，急需对煤矿开采工艺技术进行升级改造，特别是急需对煤矿掘进和支护工艺进行优化提升。同时，从煤矿当前开采情况来看，浅部煤炭资源已经开采殆尽，下一步开采深度将进一步增加，随着开采深度的增加，井下开采环境将日趋复杂，巷道支护难度也随之提升。将某煤矿某回风巷道作为分析对象，巷道设计为断面矩形，宽度为5.2m，高度为3.5m。从现场勘察来看，巷道顶板和两帮的围岩主要是砂质泥岩、粉砂岩，巷道底板围岩主要是粉砂岩。

2巷道快速掘进影响因素分析

具体情况如下：（1）地质勘探效率低下。在煤矿井下巷道地质条件勘探方案中，主要采用了人工超前钻探的方法，虽然钻探准确度较高，但施工时间较长、钻探效率低，难以满足快速超前探测的需求。（2）巷道支护效率低。井下采用人工钻孔、锚杆锚索配合支护的结构，由人工进行井下巷道断面的支护，施工时由于井下地质空间有限，许多工序无法平行开展，导致巷道支护的整体效率和安全性较低，成为影响巷道掘进的关键因素之一。（3）掘进效率低。目前所使用的掘进机控制模式较为落后，需要由人工全流程进行控制。受井下掘进环境和作业人员技术水平的限制，其对巷道的一次截割合格率仅为89.4%，整体的掘进效率较低。（4）施工组织不合理。该方面主要是井下施工人员技能水平不足，而且不同工序之间的衔接没有明确的时间要求，导致不同班组工序衔接差异性巨大，需要不断进行协调才能保证井下掘进的连续进行。

3煤矿巷道快速掘进支护方案优化策略

3.1巷道快速掘进及围岩支护参数适应性优化

要想加快巷道掘进速度必须对巷道支护参数进行优化。本次巷道支护作业设计利用的是树脂加长锚固锚杆组合方式，同时，选用锚索进行加固支护。托盘选择使用拱形高强度托盘，配合使用尼龙垫圈、螺母等。在巷道支护过程中为了更好地提高锚杆支护效果，可通过对距离巷道较近的锚杆改变打设角度进行实现。比如，将锚杆与巷道竖直方向设置为10°，其余位置的锚杆与巷道顶板垂直。在进行网片的设置中，不同网片相互搭接长度要大于0.1m应用弯钩链接搭接。锚杆支护中接近巷道两帮的锚杆之间的距离设为0.25m，锚杆间排距设为900mm×100mm，再应用8.3m长的单根钢纹线锚索进行加强支护。锚固过程采用的是树脂锚固剂加长锚固的方式其锚固长度设计为2m，钻孔参数设计为φ30mm×8.5m。锚索加强支护过程中，设定的锚索间排距为1.6m×1.8m，方向与顶板垂直方向进行打设作业。同时为了有效提升锚索支护的强度可以将托盘上的眼与顶板锚索进行联锁。

3.2锚杆钻车结构和布局的优化

传统煤矿掘进作业使用的是传统的跨骑式八臂锚杆钻车，需要由作业人员进行后排锚杆支护工作，作业空间狭窄，支护效率不高。而快速掘进工艺中采取了新型跨骑式十臂锚杆钻车,该新型钻车实现了车身结构的优化，将除尘风道合理安设在了车身中部位置，减小了原车身宽度，提高了锚杆钻车在井下巷道内作业的灵活性。

3.3巷道快速掘进和支护方案优化分析

因为某回风巷道整体的围岩较为松软，在部分区段出现了明显的破碎，特别是巷道围岩中有软弱的夹层存在。所以，在对巷道顶板进行支护时，本次选择使用锚杆、锚索及护表构件相互配合的复合支护方案，对两帮进行支护时，设计采用锚杆与护表构件相互配合的支护方式。在这种支护方案下，仅需对巷道支护方案进行针对性的优化和提升，重点是对锚杆、锚索支护的间排距进行优化。在对方案进行优化后，重点从3个方面进行了提升。首先，对于同一排支护的锚杆，选择使用1m长的槽钢连接，提升锚杆支护的整体性，锚杆支护稳定性则随之增加。其次，在对锚索进行支护时，在锚杆支护的中间位置打设锚索，锚索之间的距离设计为2m。对于巷道顶板两侧的锚索，为了拓展锚索的支护方位，设计锚索沿着竖直方向30°方向进行布置。最后，在巷道两帮的位置在每一排设置四根锚杆，相对于原来方案，锚杆的尺寸、型号等相同，间排距设计为1m。

3.4巷道掘进面通风作业的优化

正常情况下煤矿掘进面中扬灰大、粉尘浓度高，肉眼能见度严重受限，不但影响了井下巷道掘进效率，而且灰尘粉尘对井下作业人员的呼吸系统健康也造成了极大的伤害，因此亟须优化巷道掘进面的通风作业装置，提高井下作业环境的空气质量以及能见度，优化井下作业人员作业环境。在对比了多种通风装置设施和方式之后，采取了长压短抽的通风方式对局部空气质量进行优化。

3.5自动掘进控制系统

为了满足煤矿井下自动综掘控制的需求，本文提出了一种新的自动截割控制逻辑，整个系统以掘进主机控制系统为核心，实现对综掘设备在运行过程中的灵活控制。该控制系统主要分为数据监测和状态执行2个部分。其中数据监测主要是对综掘设备的运行状态进行监控，为智能系统的集中调控提供依据，同时还要对调节结果进行检验，反馈调节状态，确保系统的调整到位。在实际控制的过程中，操作系统发出调控指令（或者直接接收控制中心发出的调控指令），信号接收系统接收到数据调整信息后将其传输到EPEC控制器内，在控制器内进行调控指令的解析和数据准备，然后将其传输到不同的运动机构处进行调整。调整完成后系统返回完成指令，然后检测系统对各运动机构的调节情况进行检验，返回实际调整位置和理论调整位置之间的差值，最终系统发出修正信号，对调整情况进行修正，确保智能截割控制的精确性。

4优化方案整体工作效果分析

通过采取数值模拟的方式，对优化之后的方案进行分析，相对于原先的支护效果，整体的支护效果明显增加。同时，将优化之后的方案，全面应用到巷道掘进和支护中，并对煤矿围岩变形量、锚固力及顶板离层量进行了分析。各项数值均是巷道在稳定情况下，最终的最大数值。在对巷道采取全新的支护方案后，巷道围岩的各项指标相对于先前的变化规律相对一致，在巷道开挖后，各项指标随之提升，最终进入到稳定状态。但是各项指标相对于之前均有所下降，尤其是巷道顶板离层量相对于先前有了较为明显的下降。

结语

在对影响煤矿井下巷道掘进效率因素进行分析的基础上，针对性地提出了煤矿巷道快速掘进支护方案优化策略，通过将优化之后的巷道支护方案应用到工程实践来看，相对于原巷道支护方案取得了更好的支护效果，巷道围岩稳定性明显增加，为煤矿井下开采提供了更为可靠的安全环境。

参考文献

［1］王虹,王建利,张小峰.掘锚一体化高效掘进理论与技术［J］.煤炭学报,2020,45(6):2021-2030.

［2］康红普.掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径［J］.煤炭学报,2021,46(7):2023-2045.

［3］王虹.我国综合机械化掘进技术发展40a［J］.煤炭学报,2020,35(11):1815-1820.