周 波
(山西潞安工程有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000)
潞安煤礦S工作面位于-500水平東二采區(qū),所采12#煤層平均厚度4.05m,平均抗壓強(qiáng)度14.6MPa,煤體較松軟,節(jié)理裂隙比較發(fā)育,支護(hù)難度較大。煤層上為0.2~0.6m厚炭質(zhì)泥巖偽頂,層理及微裂隙十分發(fā)育,煤層直接底為0.8~1.2m灰黑炭質(zhì)泥巖,直接影響掘進(jìn)速度和安全生產(chǎn)[1]。
S工作面運(yùn)輸、回風(fēng)巷高3.0m,寬4.75m,為直墻半圓拱形,錨網(wǎng)索支護(hù)。
圖1 潞安煤礦S工作面巷道布置圖
(1)掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)備。掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)備的選擇,直接影響掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)短,潞安煤礦現(xiàn)采用舊式掘進(jìn)機(jī)的煤巷存在進(jìn)退頻繁、機(jī)底下陷問題,直接影響綜掘效率;支護(hù)所用錨桿鉆機(jī)需要人工進(jìn)行頻繁移動(dòng),進(jìn)一步限制了進(jìn)尺水平提升,掘進(jìn)機(jī)的開機(jī)率也受到嚴(yán)重影響。
(2)支護(hù)工序。經(jīng)測(cè)算,支護(hù)工序、割煤工序、運(yùn)輸工序所占總時(shí)間分別為50%~60%、20%~30%、10%~15%,可見支護(hù)工序占用時(shí)間最長(zhǎng)。
(3)施工工藝。懸臂式掘進(jìn)機(jī)配合單體錨桿鉆機(jī)、后配裝載機(jī)和膠帶輸送機(jī)的綜合機(jī)械化掘進(jìn)屬于潞安煤礦應(yīng)用最為廣泛的掘進(jìn)工藝,該工藝施工流程可以描述為:“綜掘機(jī)割煤→出煤→掘進(jìn)機(jī)后撤→單體錨桿機(jī)人工移至工作面→連接風(fēng)水管路→啟動(dòng)→錨桿機(jī)鉆孔→安裝→工作結(jié)束→推出錨桿機(jī)→進(jìn)入新工作面→循環(huán)作業(yè)”,長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),該掘進(jìn)工藝在短掘短支、一掘一支循環(huán)作業(yè)時(shí)比較高效。
為尋找合理的循環(huán)進(jìn)度和支護(hù)方式,利用三維有限差分軟件FLAC3D開展快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的數(shù)值模擬,建立S工作面模型的長(zhǎng)、寬、高為300m×60m×115m,采用半圓拱型斷面,模型取一半以保證對(duì)稱性。
3.1.1 不同掘進(jìn)進(jìn)尺掘進(jìn)頭應(yīng)力場(chǎng)分布
模擬0.8m、1.6m、2.4m、3.2m四個(gè)掘進(jìn)進(jìn)尺方案時(shí)的不同應(yīng)力分布。可以得出掘進(jìn)尺寸3.2m時(shí),掘進(jìn)頭頂板顯著應(yīng)力集中,這種端頭效應(yīng)帶來的影響顯然對(duì)巷道掘進(jìn)不利;1.6~2.4m時(shí)應(yīng)力集中程度、擾動(dòng)影響范圍對(duì)安全快速掘進(jìn)影響不大;0.8m、1.6m、2.4m、3.2m時(shí)均存在掘進(jìn)頭前方煤體及頂?shù)装鍛?yīng)力增大區(qū)。
考慮到S工作面實(shí)際,出于安全考量,確定一般條件下采用1.6m的掘進(jìn)進(jìn)尺,如頂板條件較為優(yōu)越則采用2.4m掘進(jìn)進(jìn)尺。因此,確定每天進(jìn)尺為 14.4~21.6m[2]。
3.1.2 不同支護(hù)方式掘進(jìn)頭應(yīng)力場(chǎng)分布
不同支護(hù)方案模擬結(jié)果如下:
(1)僅有錨桿支護(hù)時(shí)。掘進(jìn)頭附近應(yīng)力集中明顯,頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)及拉伸破壞區(qū)發(fā)育范圍較大,錨桿主要承受剪切和徑向拉伸力,雖圍巖未發(fā)生強(qiáng)度破壞,但“弱化高度”明顯加大,不利于快速掘進(jìn)。
(2)錨桿與錨索耦合支護(hù)時(shí)。巷道頂板6~8m范圍內(nèi)形成了耦合承載區(qū),掘進(jìn)頭附近應(yīng)力集中明顯,錨索發(fā)揮了懸吊作用、多排錨桿錨索共同作用產(chǎn)生了連續(xù)支持點(diǎn),錨桿與錨索耦合支護(hù)減緩了頂板下沉。錨桿與錨索耦合支護(hù),其作用主要體現(xiàn)在減少巷道底板塑性區(qū)發(fā)育范圍,通過降低底板鼓起量,可有效防治煤巷快速掘進(jìn)底鼓。
最終確定S工作面選擇錨桿與錨索耦合支護(hù)方式,必要時(shí)候遵循“降低速度,確保安全”原則,如煤層變薄帶、斷層,同時(shí)還需要補(bǔ)打底角錨桿。
3.2.1 掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備的選擇
S工作面煤巷掘進(jìn)選擇了MRH-S150型綜掘機(jī),該型號(hào)綜掘機(jī)具備切割能力強(qiáng)、圍巖條件適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn);錨桿鉆孔設(shè)備選擇了MQT-85J2型齒輪風(fēng)動(dòng)式錨桿鉆機(jī),該型號(hào)錨桿鉆機(jī)能夠大幅提升支護(hù)速度。
3.2.2 支護(hù)工序
(1)錨桿錨索耦合支護(hù)??梢越Y(jié)合圍巖特征靈活掌握支護(hù)密度,必要時(shí)采用后路補(bǔ)打錨索強(qiáng)化支護(hù)方式并配合合理增大錨桿間排距措施。
(2)調(diào)整錨孔裝藥量、樹脂錨固劑膠凝時(shí)間。結(jié)合數(shù)值模擬,將Z2835型樹脂藥卷由原來的兩支優(yōu)化為一支,將樹脂錨固劑膠凝時(shí)間由原來的1min縮短為 20~30s。
(3)支護(hù)順序。打兩幫錨桿,可滯后頂板錨桿一排,錨索滯后迎頭15m安裝[3]。
3.2.3 輔助運(yùn)輸系統(tǒng)改造
考慮到同類巷道常出現(xiàn)破頂?shù)拙蜻M(jìn)、局部地段產(chǎn)生大量矸石情況,在S工作面巷道輔助運(yùn)輸系統(tǒng)開展了針對(duì)性改造,將原有的刮板輸送機(jī)更新為改裝過的SDP-650型膠帶輸送機(jī),實(shí)現(xiàn)了上帶運(yùn)煤、下帶運(yùn)送部分材料功能。
3.2.4 優(yōu)化配置“掘、支、運(yùn)”
(1)“掘、支”聯(lián)合。考慮到傳統(tǒng)錨桿支護(hù)施工工序過于繁雜,可采用機(jī)載錨桿鉆機(jī)開展施工,改變錨桿鉆孔安裝與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)不平衡現(xiàn)象,提升成巷速度、縮短錨桿有效作業(yè)時(shí)間。
(2)縮短輔助工序。為進(jìn)一步提升綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果,采用了部分工序平行作業(yè)措施,如通風(fēng)、鋪設(shè)軌道、交接班、延長(zhǎng)管線等工序。
潞安煤礦S工作面綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,有效克服了高地應(yīng)力、大斷面、偽頂?shù)炔焕蛩赜绊?,取得月進(jìn)尺460m的好成績(jī),這一成績(jī)的取得與合理掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度、支護(hù)工序改進(jìn)、輔助運(yùn)輸連續(xù)化的優(yōu)化配置、高質(zhì)量配合存在直接聯(lián)系,具備一定的借鑒價(jià)值。