孟鍵，朱長華，牛志軍，王旭鋒，呂昊

（1.華電煤業(yè)集團有限公司，北京 100001；2.甘肅萬勝礦業(yè)有限公司，甘肅 慶陽 745713；3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山地震監(jiān)測工程實驗室，江蘇 徐州 221116；5.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750411）

0 引言

目前我國每年新掘巷道長度約為2 000 km，回采巷道占總量的80%左右[1-2]，由于掘進模式、掘進工藝、掘進裝備、支護形式與參數(shù)等不合理，巷道的掘進速度往往較低，大多礦井存在采掘接替緊張的局面，較大程度影響了煤炭的安全高效開采[3-6]。

我國學(xué)者對巷道的快速掘進技術(shù)進行了深入的研究與大量的工程實踐[7-11]?？导t普等[12-13]明確了圍巖強度、斷面尺寸、空頂距等是影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素，提出了以“掘進模式、掘進工藝、掘進裝備、支護形式及參數(shù)、掘進全系統(tǒng)”為主要優(yōu)化方向的煤巷快速掘進技術(shù)。王國法等[14]明確了巷道掘進中地質(zhì)探測裝備智能化程度低、探測精度低等問題，提出了構(gòu)建智能綠色煤炭產(chǎn)業(yè)新體系的發(fā)展方向與措施。王步康[15]明確了標(biāo)準(zhǔn)缺失和落后已成為制約我國煤炭掘進技術(shù)與裝備發(fā)展的重要因素，預(yù)測了掘進技術(shù)與裝備未來發(fā)展的方向與趨勢。程建遠(yuǎn)等[16]分析了“短掘短探”技術(shù)不能滿足巷道快速掘進的原因，提出了“定向長鉆孔+孔中物探”的“長掘長探”技術(shù)，可為巷道快速掘進提供可靠的地質(zhì)保障。柏建彪等[17]、馬睿[18]明確了掘進巷道頂板應(yīng)力與空頂距的關(guān)系，揭示了巷道空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性機理，優(yōu)化了煤巷快速掘進工藝系統(tǒng)。吳擁政等[19]明確了掘進機與單體鉆機配合掘進方式的不足，通過升級連續(xù)自移式快速掘進支護裝置，將巷道掘進速度提升了65%。卓軍等[20]揭示了弱黏結(jié)復(fù)合頂板巷道掘進過程中的破壞機理，研發(fā)了巷道快速掘進掩護裝備。董慶等[21]提出了“錨網(wǎng)索+鋼帶”聯(lián)合支護技術(shù)，結(jié)合配套的MB670 掘錨一體機設(shè)備，實現(xiàn)了特厚煤層巷道安全高效掘進。郭俊生等[22]歸納了懸臂式掘進機及配套設(shè)備的現(xiàn)狀，提出了煤礦快速掘進技術(shù)體系。陳宇等[23]、陳大廣[24]明確了機載臨時支護安全性、錨護裝置相互干擾等是影響巷道快速掘進的主要因素，提出了快速掘進支護及工序優(yōu)化方案。孫立虎等[25]優(yōu)化了掘進支護配套裝備，將大傾角倒梯形回采巷道的最大月進尺提高了42.03%。

上述學(xué)者主要針對巷道快速掘進的影響因素、設(shè)備優(yōu)化等進行了深入研究，對巷道空頂距、支護參數(shù)、施工工藝聯(lián)合優(yōu)化的研究較少。本文以甘肅省環(huán)縣甜水堡煤礦2 號井1309 工作面回風(fēng)巷為研究對象，針對巷道掘進速度慢等問題，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等方法，分析各工序用時特征，以耗時長的工序為重點解決方向，明確巷道的極限空頂距，獲得巷道的支護參數(shù)與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，優(yōu)化配套掘進設(shè)備與施工工藝，從而提高巷道的掘進效率。

1 研究區(qū)域概況

1.1 工程概況

1309 工作面位于3 號煤，3 號煤厚度為1.1～4.1 m，平均厚度為2.88 m，煤層最大傾角為12～24°，平均傾角約為18°。巷道頂板和底板分別為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。1309 工作面回風(fēng)巷綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 1309 工作面回風(fēng)巷綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive bar chart of return airway in 1309 working face

1309 工作面回風(fēng)巷采用梯形斷面，巷道寬4.2 m，高3.3 m（中線高），掘進斷面積為13.02 m2。巷道總長1 096 m，埋深400 m。

1.2 巷道各掘進工序用時特征

1309 工作面回風(fēng)巷掘進工序用時占比如圖2 所示。可看出巷道的掘進、永久支護、臨時支護用時最長，占比分別為25.3%，49.9%，6.2%，永久支護時間較掘進時間增加97.23%。影響巷道掘進速度的主要工序為永久支護、掘進、臨時支護，因此需要針對這3 種工序進行優(yōu)化。

圖2 不同工序用時占比Fig.2 The proportion of time spent on different processes

1.3 巷道原支護方案

1309 工作面回風(fēng)巷為梯形巷道，原支護頂錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，每排6 根錨桿，間排距為800 mm×800 mm；錨索采用φ21.8 mm×7 200 mm 鋼絞線，間排距為1 400 mm×2 000 mm；幫錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，每排9 根，間排距為800 mm×800 mm。巷道支護斷面如圖3 所示。

圖3 1309 工作面回風(fēng)巷支護斷面Fig.3 Support section of return airway in 1309 working face

2 掘進工作面空頂距的確定

在巷道掘進過程中，空頂區(qū)頂板由工作面前方的煤壁、兩幫煤壁及后方的巷道共同支撐，因此將掘進工作面空頂區(qū)視作一個巖梁，如圖4 所示。其中NO，N'O'，OL，O'L'，ML，M'L'均為固支邊，MN，M'N'為簡支邊。

圖4 掘進工作面空頂區(qū)頂板力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of the roof in goaf area of excavation face

設(shè)巖梁上均勻分布荷載q，則巖梁內(nèi)的應(yīng)力分布為

式中：σx，σy分別為巷道寬度方向、掘進方向的正應(yīng)力，MPa；x，y，z分別為巷道寬度方向、掘進方向、垂直方向的坐標(biāo)，m；A為薄板的擾曲面系數(shù)；E為彈性模量，GPa；a為巷道寬度，m；μ為摩擦因數(shù)；b為頂板空頂距，m；τxy為切應(yīng)力，MPa。

薄板的擾曲面系數(shù)A及薄板抗彎剛度D分別為

式中h為空頂區(qū)頂板巖體厚度，m。

分析空頂區(qū)頂板力學(xué)模型可知，空頂區(qū)頂板長邊受力最大，因此產(chǎn)生的撓度也最大。由式（1）可知，拉應(yīng)力σy的大小決定了頂板的極限破斷值，σy大于空頂區(qū)頂板抗拉強度σt時，頂板出現(xiàn)冒落。

將z=-h/2 代入式（1），可得

將y=b/2 代入式（2），可得邊界處沿x方向最大拉應(yīng)力：

將式（2）、式（3）代入式（5），可得掘進工作面頂板最大空頂距：

頂板所受載荷為

式中：γ為巖體平均體積力，γ=25 kN/m3；H為1309 工作面回風(fēng)巷埋深，H=400 m。

由式（7）計算可得q=10 MPa?？枕攨^(qū)頂板巖體厚度h=3.48 m，抗拉強度σt=3.57 MPa，將相關(guān)數(shù)值代入式（6）可得bmax=3.25 m。參考相同地質(zhì)條件、埋深等因素，選擇安全系數(shù)為1.4[12]，計算得到掘進工作面理論最大空頂距為2.32 m，考慮現(xiàn)場受設(shè)備、地質(zhì)、工藝等因素影響，空頂距取2.0 m。

3 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

3.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)1309 工作面回風(fēng)巷工程地質(zhì)條件及柱狀，建立1309 工作面回風(fēng)巷數(shù)值計算模型，如圖5 所示。模型尺寸為60 m×60 m×50 m（長×寬×高），1309 工作面回風(fēng)巷尺寸為4.2 m×3.3 m（寬×中線高）。

圖5 1309 工作面回風(fēng)巷數(shù)值計算模型Fig.5 Numerical calculation model of return airway in 1309 working face

1309 工作面回風(fēng)巷埋深為400 m，在模型上邊界施加9.28 MPa 垂直應(yīng)力，在模型四周及下邊界施加位移約束。

基于1309 工作面回風(fēng)巷煤巖體試樣物理力學(xué)參數(shù)與原始地質(zhì)資料，進行反演計算，得到數(shù)值計算模型中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值計算模型中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock in numerical calculation model

為明確掘進巷道的最佳支護方案，實現(xiàn)1309 工作面回風(fēng)巷高效掘進，對不同錨桿間排距支護方案進行數(shù)值計算，并分析不同支護方案下巷道圍巖穩(wěn)定性，具體模擬方案見表2。

表2 模擬支護方案Table 2 Different support simulation schemes

3.2 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

為了深入分析不同支護方案下巷道圍巖的應(yīng)力分布特征，分別在巷道兩幫中部至模型左右邊界、巷道頂?shù)装逯胁恐辽舷逻吔绮贾么怪睉?yīng)力、水平應(yīng)力監(jiān)測點。不同支護方案下巷道圍巖應(yīng)力分布曲線如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖應(yīng)力分布曲線Fig.6 Stress distribution curves of roadway surrounding rock

由圖6（a）可知，隨著遠(yuǎn)離巷道幫部表面，巷道兩幫垂直應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。此外，方案1—方案6 中巷道左幫垂直應(yīng)力最大值分別為13.50，13.80，13.81，13.84，13.86，14.50 MPa；巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力最大值分別為16.14，16.56，16.52，16.33，16.69，16.99 MPa。由圖6（b）可知，巷道頂板水平應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，而巷道底板水平應(yīng)力表現(xiàn)出以下變化趨勢：先增大，后減小，再增至最大值，最后逐漸減小。此外，方案1—方案6 中頂板水平應(yīng)力最大值分別為18.81，19.93，20.50，20.74，21.20，22.29 MPa；巷道底板水平應(yīng)力最大值分別為23.40，22.10，21.83，21.79，21.48，19.52 MPa。

3.3 巷道圍巖位移分布特征

分別在巷道頂?shù)装?、兩幫向模型邊界布置垂直位移、水平位移監(jiān)測點，得到巷道圍巖位移分布曲線，如圖7 所示?？煽闯鲭S著錨桿間排距增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰圃龃?。方?—方案6 中巷道頂板最大位移分別為63，73，98，110，136，168 mm；巷道底板最大位移分別為73，86，104，114，144，173 mm；巷道左幫最大位移分別為89，105，124，131，157，197 mm；巷道右?guī)妥畲笪灰品謩e為97，103，125，134，168，193 mm。

圖7 巷道圍巖位移分布曲線Fig.7 Distribution curves of displacement of roadway surrounding rock

3.4 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

不同支護方案下巷道圍巖塑性區(qū)的分布特征如圖8 所示。

從圖8 可看出，隨著錨桿間排距增大，巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍逐漸增大。方案1-方案6 中塑性區(qū)破壞最大深度分別為2.56，3.83，4.67，4.79，5.23，6.38 m。根據(jù)不同支護方案下巷道圍巖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)的分布特征，結(jié)合巷道高效掘進需求，認(rèn)為頂錨桿與幫錨桿間排距均采用800 mm×1 000 mm 時圍巖控制效果最好，因此，方案3 為最合適的支護方案。

4 巷道高效掘進設(shè)備及工藝優(yōu)化

4.1 掘進設(shè)備優(yōu)化

1309 工作面回風(fēng)巷原來使用的主要設(shè)備為EBZ200S 懸臂式掘進機、DSJ80 帶式輸送機、SGB620 刮板輸送機、MQT-130 風(fēng)動錨桿機和YT-28 氣動式鑿巖機?，F(xiàn)場掘進過程中，EBZ200S懸臂式掘進機存在故障率高、施工效率低等問題。結(jié)合1309 工作面回風(fēng)巷的地質(zhì)條件及刮板輸送機、帶式輸送機等原設(shè)備匹配性，優(yōu)化掘進設(shè)備的原則為盡量不改變設(shè)備尺寸。最終將掘進機設(shè)備升級為大功率EBZ220B 懸臂式掘進機，與EBZ200S 懸臂式掘進機相比，其尺寸不變，僅增大了功率。EBZ220B懸臂式掘進機如圖9 所示。

圖9 EBZ220B 懸臂式掘進機Fig.9 EBZ220B boom-type roadheader

4.2 支護工藝優(yōu)化

1）支護參數(shù)優(yōu)化。錨桿間排距優(yōu)化為800 mm×1 000 mm 時巷道圍巖控制效果較好，對應(yīng)將錨索間排距由1 400 mm×1 600 mm 優(yōu)化為1 400 mm×2 000 mm，錨桿（索）、藥卷等型號不變。巷道頂板錨桿索支護展開圖如圖10 所示。

圖10 巷道頂板錨桿（索）支護展開圖Fig.10 Expansion diagram of roadway roof support by anchor rod and cable

2）臨時支護優(yōu)化。巷道掘進臨時支護由“前探梁+金屬網(wǎng)”組合配套的臨時支護設(shè)備優(yōu)化為EBZ-220B 機載臨時支護裝置。該裝置支護長度為2 m，優(yōu)化后不僅可提高臨時支護的安全性，還可增加臨時支護的效率。EBZ-220B 機載臨時支護裝置及其布置如圖11 所示。

圖11 EBZ-220B 機載臨時支護裝置及其布置Fig.11 EBZ220B airborne temporary support device and layout

4.3 施工工藝優(yōu)化

通過合理安排工序流程，可最大程度實現(xiàn)各工序之間的交叉作業(yè)和平行作業(yè)，確保正規(guī)循環(huán)作業(yè)按時完成，提高工時效率。施工工藝優(yōu)化措施：①掘進機截割期間，可同時進行金屬網(wǎng)連接、錨桿（索）及托盤配套檢查。②巷道永久支護期間，錨桿（索）進行同時支護。

5 試驗分析

在設(shè)備及施工工藝優(yōu)化后，1309 工作面回風(fēng)巷掘進循環(huán)進尺由原來的1.6 m 增加至2.0 m，最大日進尺由8 m 提高到10 m，巷道掘進速度提高了25%，優(yōu)化效果良好。

在1309 工作面回風(fēng)巷掘進期間布置3 個巷道圍巖位移監(jiān)測站，采用十字布點法對巷道圍巖變形進行觀測，各測站之間相距50 m，測點布置如圖12 所示。監(jiān)測時間為60 d，每2 d 測1 次。

圖12 巷道圍巖位移測點布置Fig.12 Layout of displacement measurement points for roadway surrounding rock

巷道圍巖變形量和現(xiàn)場變形情況分別如圖13、圖14 所示。

圖13 巷道圍巖變形特征Fig.13 Deformation features of surrounding rock in roadways

觀測40 d 后，巷道圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時3 個測站的巷道頂?shù)装逦灰品謩e為215，182，160 mm，巷道幫部位移分別為226，200，192 mm。由上述工程實踐可知，對巷道掘進設(shè)備、支護參數(shù)、施工工藝進行優(yōu)化后，巷道圍巖變形處于合理范圍內(nèi)，巷道的掘進速度也得到了顯著提升。

6 結(jié)論

1）構(gòu)建了掘進工作面空頂區(qū)頂板力學(xué)模型，結(jié)合1.4 的安全系數(shù)，計算得出掘進工作面的最大空頂距為2.32 m，考慮現(xiàn)場受設(shè)備、地質(zhì)、施工工藝等因素影響，巷道空頂距最終取2.0 m。

2）分析了不同支護方案下的巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)破壞特征。數(shù)值計算結(jié)果表明，隨著巷道錨桿間排距增大，巷道圍巖的位移及塑性區(qū)增大，結(jié)合巷道高效掘進的需求，最終選取錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。

3）基于理論計算、數(shù)值模擬及巷道實際地質(zhì)條件，優(yōu)化了掘進機及施工工藝，循環(huán)進尺由1.6 m 增加至2.0 m，最大日進尺由8 m 提高至10 m，巷道掘進速度較原來提高了25%，巷道圍巖的最大變形量為226 mm。優(yōu)化方案不僅保證了巷道的安全穩(wěn)定，也顯著提高了巷道的掘進效率。