王富強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

某礦掘進(jìn)巷道位于輔運(yùn)大巷，總工程量為740 m，施工段上部圍巖巖性以細(xì)沙巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，硬度f(wàn)8～f9，為全巖斷面，頂部巖石較薄，應(yīng)及時(shí)支護(hù)，防止巖石與煤之間粘結(jié)較差發(fā)生冒頂事故。該礦屬低瓦斯礦井，瓦斯分帶屬二氧化碳-氮?dú)鈳?，煤塵具有爆炸性危險(xiǎn)，煤極易燃，地溫正常。巷道掘進(jìn)區(qū)間屬基巖承壓含水層，富水性較弱，巖(煤)層的局部地段中含少量裂隙水，水量對(duì)掘進(jìn)巷道不大，一般涌水量不超過(guò)15 m3/h。掘進(jìn)期間掌子頭設(shè)置排水量不小于15 m3/h的排水設(shè)施。施工巷道為拱形巷道，下部矩形斷面寬5 400 mm，高2 750 mm，上部拱形半徑1 400 mm，巷道總高4 150 mm，截面積20.28 m2。調(diào)車(chē)硐室斷面與其相同，共5個(gè)調(diào)車(chē)硐室。

1 巷道布置設(shè)計(jì)

根據(jù)該巷道基本情況，巷道采用全巖巷方式掘進(jìn)，起始段為負(fù)坡掘進(jìn)，起始標(biāo)高為980，坡度為-6.5°，掘進(jìn)距離為39.5 m，標(biāo)高為975.5；再以10‰的負(fù)坡掘進(jìn)35 m，標(biāo)高為975.15；向前平掘8 m掘主水倉(cāng)1#水倉(cāng)；繼續(xù)向前平掘15.5 m，開(kāi)始掘進(jìn)2#水倉(cāng)，1#、2#主水倉(cāng)以2‰的正坡各掘進(jìn)130.67 m，標(biāo)高為975.4；2#主水倉(cāng)平掘，與1#主水倉(cāng)貫通后，再掘進(jìn)1.8 m,開(kāi)始以2‰的坡度正坡掘進(jìn)48.5 m。副水倉(cāng)起始標(biāo)高為980，負(fù)坡6.5°,掘進(jìn)39.6 m處開(kāi)始掘進(jìn)1#副水倉(cāng)；水平掘進(jìn)18.5 m開(kāi)始掘進(jìn)2#副水倉(cāng)；1#、2#副水倉(cāng)以3.7‰的坡度正坡掘進(jìn)89.734 m，從2#副水倉(cāng)以3‰的正坡掘進(jìn),與1#副水倉(cāng)貫通后再掘進(jìn)10.3 m完工。調(diào)車(chē)硐室開(kāi)始按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行掘進(jìn),但角度根據(jù)掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎性能確定。

2 掘進(jìn)設(shè)備配置及掘進(jìn)工藝

2.1 掘進(jìn)設(shè)備配置

巷道采用1臺(tái)大斷面重型巖巷掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn),2臺(tái)防爆膠輪車(chē)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行施工，掘進(jìn)、支護(hù)交替施工。用1臺(tái)防爆裝載機(jī)完成材料及小型設(shè)備的運(yùn)送、搬移以及巷道浮矸的清理工作,用錨桿機(jī)來(lái)完成巷道的錨桿支護(hù)工作。

2.2 掘進(jìn)工藝

1) 落巖。用重型掘進(jìn)機(jī)落巖，在激光儀的指導(dǎo)下確定掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀位置，進(jìn)刀位置為巷道左下角按設(shè)計(jì)要求巖底位置，進(jìn)刀量為0.8 m。再橫向移動(dòng)截割頭到巷道另一側(cè)設(shè)計(jì)寬度位置，垂直升截割頭達(dá)到一次吃刀量0.6 m后左移截割頭到巷道最左邊設(shè)計(jì)寬度位置，垂直升截割頭達(dá)到一次吃刀量，右移截割頭。如此反復(fù)，成蛇形截割，達(dá)到設(shè)計(jì)矩形高度后，開(kāi)始掘進(jìn)弧形巷道，最后進(jìn)行巷道修整達(dá)到設(shè)計(jì)要求尺寸。要求矩形巷道兩幫垂直，弧形巷道圓弧過(guò)渡平緩。進(jìn)刀量和吃刀量作為參考，實(shí)際掘進(jìn)根據(jù)巖石硬度和截割頭尺寸掌握。

2) 裝矸。掘進(jìn)機(jī)采用自動(dòng)裝巖方式，掘進(jìn)機(jī)裝有裝載機(jī)構(gòu)和運(yùn)輸機(jī)。掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)，矸石落入裝載機(jī)構(gòu)，耙爪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)輸機(jī)將割落的矸石轉(zhuǎn)運(yùn)到等候在后面的防爆車(chē)內(nèi)。

3) 運(yùn)矸石。裝車(chē)時(shí)設(shè)專人指揮，指揮人員與司機(jī)必須配合好，車(chē)輛抵達(dá)裝車(chē)地點(diǎn)前必須提前減速，車(chē)停穩(wěn)后方可開(kāi)始指揮裝車(chē)。司機(jī)開(kāi)車(chē)前，必須給指揮人員信號(hào)，確認(rèn)四周無(wú)人后方可開(kāi)車(chē)。司機(jī)必須按指定路線將矸石運(yùn)抵指定排矸場(chǎng)。

4) 浮矸清理。巷道中的大塊及較多的浮矸由裝載機(jī)清理，剩余少量矸石由人工清理。人工清浮矸時(shí)，必須在掘進(jìn)機(jī)、防爆車(chē)停止作業(yè)時(shí)進(jìn)行。

5) 施工放線。掘進(jìn)時(shí)，工作面每推進(jìn)50 m由地測(cè)站在巷道內(nèi)標(biāo)定兩組中線一組腰線，中線距左幫2.7 m，中線激光據(jù)頂板0.3 m，腰線距底板2.8 m，一組腰線激光距左幫0.2 m，另一組腰線激光距右?guī)?.2 m，以確保三盤(pán)區(qū)1-2煤輔運(yùn)上山的掘進(jìn)質(zhì)量。每掘進(jìn)50 m由地測(cè)站對(duì)所放中線、腰線校核一次。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及支護(hù)工藝編制

掘進(jìn)工作面斷面為拱形，無(wú)異常礦壓，根據(jù)掘進(jìn)層柱狀資料分析，巷道頂板變化較小，主要為5-2煤層及0.3 m的巖石，屬于較穩(wěn)定頂板，適合錨網(wǎng)支護(hù)。根據(jù)已掘巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，初步確定本巷道及其調(diào)車(chē)硐室均采用“樹(shù)脂錨桿+網(wǎng)片”聯(lián)合支護(hù)的方式[1-4]。

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

該巷道屬于合性頂板，要求永久支護(hù)必須到位，方可掘進(jìn)下一循環(huán)，最大空頂距為6.5 m，最小空頂距為1.5 m,循環(huán)進(jìn)度為6 m。

3.1.1 錨桿長(zhǎng)度

頂錨桿通過(guò)懸吊作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)滿足:

L>L1+L2+L3

(1)

式中：L為錨桿長(zhǎng)度，mm；L1為錨桿外露長(zhǎng)度,L1=鋼帶厚度+托盤(pán)厚度+螺母厚度+10 mm～50 mm，此處取50 mm；L2為錨桿有效長(zhǎng)度,頂錨桿取免壓拱高b，mm；L3為錨桿錨固長(zhǎng)度，取400 mm。

普氏免壓拱高為：

b=[B/2+Htan(45°-w/2)]/fd

(2)

式中：B為掘進(jìn)巷道的寬度，B=(5 400+200)mm=5 600 mm；H為掘進(jìn)巷道的寬度和高度，H=(4 150+200)mm=4 350 mm；fd為頂板巖石普氏系數(shù)，取2；w為兩幫巖石的內(nèi)摩擦角，取108.18°。

由式(2)可得：L2=b=[5 600/2+4 350×tan(45°-108.08°/2)]/2=1 052.6 mm

因此,錨桿長(zhǎng)度L>50+1 052.6+400=1 502.6 mm

根據(jù)頂板實(shí)際情況及已掘巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn),錨桿長(zhǎng)度取1 800 mm。

3.1.2 錨桿排距

a≤Q/kγL2/2

(3)

式中：a為錨桿排距；Q為錨桿錨固力，取49 kN；k為安全系數(shù)，取1.5；γ為巖體容重，取16.7 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算,a≤1.22 m,取a=1.1 m。

3.1.3 每排錨桿根數(shù)

N1=K·Qr·Dr/Pr

(4)

式中：N1為每排錨桿根數(shù)；Dr為錨桿排距；Pr為錨桿抗拔力,取49 kN;K為安全系數(shù)，根據(jù)頂板巖性取2.5；Qr為頂板載荷集度，取66.7 kN/m。

經(jīng)計(jì)算可知，N1=4.17根，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及掛網(wǎng)要求，取7根。

采用一次性緊固錨桿支護(hù)，其中錨桿布置為矩形，排距1.2 m。錨桿選用φ18×2 100 mm圓鋼一次性緊固錨桿，托盤(pán)選用150×150×10 mm的鋼板，鋼號(hào)Q235，采用CK型φ23×500 mm樹(shù)脂作為錨固劑，每孔1卷，鉆桿規(guī)格選用φ23×2 200 mm。網(wǎng)片規(guī)格選用φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔150 mm×150 mm,網(wǎng)片尺寸1 400 mm×3 700 mm。

3.2 支護(hù)工藝

掘進(jìn)機(jī)每掘完一個(gè)循環(huán)，掘進(jìn)機(jī)停止作業(yè)，進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)的工藝流程：敲幫問(wèn)頂—掛網(wǎng)—定位—鉆孔—清孔—安裝錨桿。人員在掘進(jìn)機(jī)上站穩(wěn)扶好，防止支護(hù)作業(yè)過(guò)程中從掘進(jìn)機(jī)上掉落。掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)前，所有人員必須站到安全位置，防止掘進(jìn)機(jī)行走移動(dòng)過(guò)程中造成人員傷害。支護(hù)過(guò)程中要做到開(kāi)機(jī)開(kāi)水、停機(jī)停水，盡可能減少用水量。

1) 首先使用專用工具進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，一人監(jiān)護(hù)，一人操作，將頂板及兩幫上浮矸處理干凈。

2) 放置網(wǎng)片。將網(wǎng)片放置在將要支護(hù)的位置上，用鐵絲連接牢固。

3) 定位。依據(jù)激光中心線和錨桿間距，先定排位，確定錨桿的布置位置預(yù)先標(biāo)好，再以間距定出孔位。

4) 鉆眼。將錨桿機(jī)調(diào)整在巷道的正中間位置，操作進(jìn)給閥使鉆頭剛好頂在打眼的位置上，然后輕輕動(dòng)作給進(jìn)閥桿，使鉆頭能頂?shù)巾敯宀㈨攤€(gè)小窩，接著操作快速進(jìn)給閥，鉆眼深達(dá)2 100 mm時(shí)，退出鉆桿。

5) 安裝錨桿。錨桿機(jī)司機(jī)先給眼孔內(nèi)裝入藥卷，用已經(jīng)上好托板和螺母的錨桿將樹(shù)脂藥卷頂入眼內(nèi)，將專用攪拌桿安在鉆箱上，然后將錨桿的尾部套在攪拌桿上，慢慢升起鉆臂將錨桿同藥卷送入孔底，并捅破藥卷攪拌，托盤(pán)與頂板間應(yīng)留5 mm左右間隙，旋轉(zhuǎn)攪拌器及錨桿但不進(jìn)給，攪拌10～15 s，停止旋轉(zhuǎn)將鉆臂升起使托盤(pán)與頂板緊密接觸，等待30～40 s，只旋轉(zhuǎn)不推進(jìn)直至螺母剪斷錨桿銷(xiāo)并達(dá)到要求的扭矩。錨桿扭矩達(dá)到100 Nm，錨固力不小于5 t，錨桿外露長(zhǎng)度小于50 mm，錨桿安裝結(jié)束。緊固螺母用錨桿機(jī)緊固，對(duì)不緊錨桿要求二次人工緊固，即用專用緊固錨桿的扳手將錨桿緊固，達(dá)到設(shè)計(jì)扭矩值100 Nm。緊固過(guò)程中出現(xiàn)失效錨桿必須及時(shí)補(bǔ)打。

4 運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主運(yùn)輸系統(tǒng):

掘進(jìn)巷道掘進(jìn)機(jī)出矸石→防爆車(chē)→5-2煤輔運(yùn)大巷→1號(hào)輔運(yùn)通道→暗斜井→地面排矸場(chǎng)。

輔助運(yùn)輸系統(tǒng)(運(yùn)料、行人):

地面→暗斜井→1號(hào)輔運(yùn)通道→5-2煤輔運(yùn)大巷→工作面。

5 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 工作面通風(fēng)方式的選擇

通風(fēng)方式選擇局部壓入式通風(fēng)。局扇安裝在5-2煤輔運(yùn)大巷與井底中央水倉(cāng)聯(lián)巷的入口處，通過(guò)φ1 000 mm膠質(zhì)抗靜電阻燃風(fēng)筒將風(fēng)流送入工作面。

進(jìn)風(fēng)路線：地面新鮮風(fēng)流副斜井→1號(hào)輔運(yùn)通道→5-2煤輔運(yùn)大巷→局扇→風(fēng)筒→掘進(jìn)工作面。

回風(fēng)路線：中央水倉(cāng)工作面(污風(fēng))→5-2煤回風(fēng)大巷→武當(dāng)溝回風(fēng)井。

5.2 供風(fēng)量計(jì)算

5.2.1 按瓦斯涌出量計(jì)算

Qj1=100·qw·K

(5)

式中：Qj1為所需風(fēng)量，m3/min；qw為瓦斯絕對(duì)涌出量，m3/min；K為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計(jì)算，Qj1=44.85 m3/min。

5.2.2 按CO2涌出量計(jì)算

Qj2=67qj·Kjt

(6)

式中：Qj2為掘進(jìn)工作面需要風(fēng)量，m3/min；qj為掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中CO2絕對(duì)涌出量，取0.882 m3/min；(礦通風(fēng)隊(duì)預(yù)測(cè))Kjt為二氧化碳涌出不均衡通風(fēng)系數(shù)，根據(jù)通風(fēng)科提供的數(shù)據(jù)，取1.5。

經(jīng)計(jì)算，Qj2=88.64 m3/min。

5.2.3 按掘進(jìn)工作面最多人數(shù)計(jì)算

Qj3=4NK

(7)

式中：Qj3為所需風(fēng)量，m3/min；K為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2；N為工作面最多人數(shù)，取44人。

經(jīng)計(jì)算，Qj3=211.2 m3/min。

綜上計(jì)算，掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量取Q≥Qj3=211.2 m3/min。

5.2.4 按風(fēng)速驗(yàn)算

按最低風(fēng)速驗(yàn)算：

QL=v1·S

(8)

式中：v1為巖巷允許最低風(fēng)速，0.15 m/s；S為巷道斷面面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，Q1=182.8 m3/min。

按最高風(fēng)速驗(yàn)算：

QH=v2·S

(9)

式中：v2為允許最高風(fēng)速，4 m/s。

經(jīng)計(jì)算，QH=4 864.2 m3/min。

5.2.5 防爆膠輪車(chē)需要風(fēng)量

柴油車(chē)根據(jù)歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)CO排放量為1 g/kg,入井膠輪車(chē)速度按最高允許速度30 km/h，計(jì)算每分鐘CO排放量為：QCO=0.5 g/min,

換算為體積：QCO=0.000 43 m3/min。

將濃度稀釋到0.002 4%，需風(fēng)量為：QC=17.92 m3/min

QC取20 m3/min，則可將普通膠輪車(chē)的CO排放量稀釋到21.5×10-6，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

根據(jù)實(shí)際測(cè)得特種柴油膠輪車(chē)CO排放量最大為普通柴油車(chē)的3倍，故特種車(chē)輛配風(fēng)量QTC為60 m3/min。工作面一般配備6臺(tái)特種柴油車(chē)。

QTC=6×60 m3/min=360 m3/min

因?yàn)镼TC>QL，所以確定掘進(jìn)所需風(fēng)量為360 m3/min。

5.3 風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒的選擇及設(shè)置

5.3.1 風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量QF

QF=ψ·QM

(10)

式中：QM為掘進(jìn)工作面需要風(fēng)量，m3/min；ψ為風(fēng)筒漏風(fēng)備用系數(shù)。

ψ= 1/(1-nLi/10)

(11)

式中：n為風(fēng)筒接頭數(shù)，按通風(fēng)最長(zhǎng)距離40 m；Li為1個(gè)接頭的漏風(fēng)率，插接時(shí)取0.01～0.02，羅圈反邊連接時(shí)取0.005。

由公式(10)、(11)計(jì)算得，ψ=1.02,QF=367.2 m3/min。

5.3.2 風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)壓hF

hF=R100·QF·QM

(12)

式中：hF為局部通風(fēng)機(jī)工作全壓，Pa；R100為局部通風(fēng)機(jī)全壓工作百米風(fēng)阻，取20 NS2/m8。

經(jīng)計(jì)算，hF=734.4 Pa。

考慮到該巷道掘進(jìn)距離較長(zhǎng)等原因，選用2BKJ系列NO6.3功率2×30 kW軸流對(duì)旋式局扇，額定風(fēng)量在630～260 m3/min ，考慮到供風(fēng)大，風(fēng)筒使用φ1 000 mm膠質(zhì)、抗靜電、阻燃風(fēng)筒,使用雙風(fēng)機(jī)雙電源自動(dòng)切換。所選風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒參數(shù)如表1所示。

5.3.3 風(fēng)筒設(shè)置位置

按最小巷道斷面計(jì)算風(fēng)筒出口到掘進(jìn)工作面掌子頭的最大距離Lp[5-8]

Lp=(4～5)·S/2

(13)

式中：S為巷道截面積，S=20.28 m2。

經(jīng)計(jì)算，Lp=19.26～23.86 m,此處取Lp=20 m。

6 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 電纜鋪設(shè)

從地面高壓柜取電，經(jīng)過(guò)280 m電纜(型號(hào)為MYPJT3×35+1×25)到井下移變，再經(jīng)過(guò)1 000 m

表1 風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒技術(shù)參數(shù)

電纜(型號(hào)為MYP 3×35+1×25)到達(dá)工作面，給掘進(jìn)機(jī)供電，供排水、激光、液壓錨桿鉆機(jī)用電。由來(lái)自地面風(fēng)機(jī)專用移變的饋電開(kāi)關(guān)經(jīng)250 m電纜(型號(hào)為MYP3×25+1×10)給局部通風(fēng)機(jī)供電。

6.2 電氣設(shè)備配備

根據(jù)工作面所用設(shè)備的功率及沿線的排水負(fù)荷確定整個(gè)系統(tǒng)的總負(fù)荷約為623 kW，其中：工作面負(fù)荷為515 kW(掘進(jìn)機(jī)515 kW),其他負(fù)荷功率108 kW(2×30 kW風(fēng)機(jī)、液壓錨桿機(jī)11 kW、水泵37 kW)，電氣設(shè)備配備如表2所示。

表2 電氣設(shè)備配備

7 結(jié)論

隨著煤礦開(kāi)采的飛速發(fā)展，大斷面全巖巷道的掘進(jìn)日益增多，巷道布置、掘進(jìn)工藝、支護(hù)工藝、運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是巷道掘進(jìn)前必須完成的工作。如何根據(jù)巷道地質(zhì)條件及施工工藝設(shè)計(jì)出合理的掘進(jìn)實(shí)施方案不僅需要理論計(jì)算，更需要通過(guò)大量的實(shí)踐作業(yè)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與驗(yàn)證。本文基于煤礦設(shè)計(jì)相關(guān)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合以往大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出大斷面全巖巷道施工工藝設(shè)計(jì)方法，對(duì)相關(guān)煤礦全巖巷道施工工藝設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

同時(shí)本次提出的施工工藝還有一些尚需繼續(xù)研究和完善的地方：

1) 需對(duì)全巖巷道施工安全方面的設(shè)計(jì)及相關(guān)安全管理制度進(jìn)行深入研究和系統(tǒng)性收集與總結(jié)。這點(diǎn)對(duì)于存在瓦斯突出及透水危險(xiǎn)的全巖巷道尤為重要，如何在確保安全的前提下對(duì)此類巷道掘進(jìn)值得深入研究。

2) 全巖巷道與煤巖及半煤巖巷道不同，其開(kāi)采對(duì)象為矸石，如何在保證待掘巷道滿足功能要求的前提下，減少掘進(jìn)量是提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的有效方法，值得后續(xù)深入研究。

3) 全巖巷道與煤巖及半煤巖巷道產(chǎn)塵組分和產(chǎn)塵量是大為不同的，巖巷會(huì)產(chǎn)生大量粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵，可深入人體肺泡，對(duì)人體產(chǎn)生永久性傷害，而這部分粉塵由于粒徑較小，在巷道中滯空時(shí)間長(zhǎng)，往往容易被人們忽視，如何把除塵、降塵工作有效融入全巖巷掘進(jìn)施工工藝仍需深入研究。

4) 以往對(duì)掘進(jìn)效率的提高往往重在對(duì)單臺(tái)設(shè)備性能及效率的提高，而忽略了合理設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)施工工藝及人員合理布置。后續(xù)仍需對(duì)實(shí)際全巖巷道作業(yè)流程進(jìn)行實(shí)地測(cè)算，確定每個(gè)作業(yè)工序所需的時(shí)間，通過(guò)繪制甘特圖，分析研究合理的作業(yè)步驟，提高掘進(jìn)效率。