荊二強(qiáng)

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的大型煤礦基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化開(kāi)采，即便是巷道掘進(jìn)，機(jī)械化水平也達(dá)到了90%。然而在部分煤礦開(kāi)始步入深部開(kāi)采階段之后，巷道內(nèi)部環(huán)境問(wèn)題逐漸突出，如溫度高、應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，不僅弱化了煤巖體的力學(xué)性質(zhì)，增加了煤礦災(zāi)害發(fā)生的可能性，還給實(shí)際掘進(jìn)效率和維護(hù)帶來(lái)了巨大障礙，嚴(yán)重影響著煤礦采掘的連續(xù)性。為改變這一現(xiàn)狀，提升掘進(jìn)速度，就必須轉(zhuǎn)變常規(guī)掘進(jìn)設(shè)計(jì)理念，有針對(duì)性地對(duì)當(dāng)下的各項(xiàng)成熟技術(shù)加以優(yōu)化和改良。

1 高應(yīng)力煤層快速掘進(jìn)現(xiàn)狀

當(dāng)前煤巷快速掘進(jìn)支護(hù)工藝主要有三類(lèi)：①懸臂式綜掘機(jī)配合法；②連續(xù)采煤機(jī)交叉換位法；③掘錨護(hù)一體化機(jī)組施工法。其中應(yīng)用最廣泛的則是前兩種，但是，從機(jī)械化程度上來(lái)看，只有破巖與裝運(yùn)的時(shí)候是完全的機(jī)械化操作，其余都十分依賴(lài)人工，這就導(dǎo)致操作工序增加，使得掘進(jìn)速度受到極大限制，支護(hù)時(shí)間也比較長(zhǎng)。尤其是當(dāng)采深增加之后，快速掘進(jìn)更難以實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)于第二種方式來(lái)說(shuō)，其本身就存在一定問(wèn)題，即其設(shè)備主要是連續(xù)采煤機(jī)和錨桿臺(tái)車(chē)，因此整體體積非常大，只能進(jìn)行交叉換位掘進(jìn)，不能同時(shí)展開(kāi)工作，所以這就會(huì)導(dǎo)致其在單巷掘進(jìn)當(dāng)中不具備實(shí)用性，只能被應(yīng)用在煤層賦存條件較佳的礦區(qū)中。對(duì)于第三種方式來(lái)說(shuō)，其整體能在空間上實(shí)現(xiàn)同步掘進(jìn)與支護(hù)，機(jī)械化程度較高，可以有效減少人員工作量，提升支護(hù)速度，因此已經(jīng)成為當(dāng)前掘進(jìn)技術(shù)研究的熱門(mén)話題。但該模式對(duì)于設(shè)備要求較高，基本都是國(guó)外引進(jìn)，因此這就涉及到適應(yīng)性問(wèn)題，需要有關(guān)人員特別重視起支護(hù)工藝，全面提升機(jī)組應(yīng)用效率，提升掘進(jìn)速度。

另外巷道支護(hù)也是快速掘進(jìn)的一項(xiàng)重要因素，雖然常規(guī)的錨噴支護(hù)等方式能有效緩解地應(yīng)力引起的變形問(wèn)題，但只能被應(yīng)用在淺部巷道中，一旦地應(yīng)力極大，則難以真正滿足巖石性質(zhì)變化。為此，目前在高應(yīng)力下的巷道支護(hù)中，主要以錨網(wǎng)袋聯(lián)合錨鎖梁為主，因此要真正保證高應(yīng)力下的支護(hù)質(zhì)量，還需從錨桿與錨索著手進(jìn)行分析。

2 高應(yīng)力煤層掘進(jìn)速度影響因素分析

高應(yīng)力煤層快速掘進(jìn)具有綜合性和系統(tǒng)化等特征，不僅和工程本身的地質(zhì)狀況有一定關(guān)聯(lián)，還和掘進(jìn)設(shè)備、支護(hù)、工藝等有一定聯(lián)系[1]。通常在開(kāi)采深度不斷加大之下，影響掘進(jìn)速度的最大因素就是支護(hù)，所以在保證基本安全性的基礎(chǔ)上，要提升掘進(jìn)速度，就要強(qiáng)化機(jī)械化作業(yè)程度，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，減少支護(hù)時(shí)間。

某一工程屬于煤層大巷，對(duì)于掘進(jìn)操作具有一定優(yōu)勢(shì)，但卻存在巷道維護(hù)難度大與投資高的問(wèn)題。其所開(kāi)采煤層整體層理與節(jié)理較為發(fā)育，煤塵爆炸危險(xiǎn)性不高，同時(shí)施工區(qū)域基本頂主要是泥巖與中粒砂巖，厚度較高，比較穩(wěn)定。能夠發(fā)現(xiàn)，其掘進(jìn)生產(chǎn)條件較佳，有利于開(kāi)展快速掘進(jìn)。但其巷道涌水量比較大，所掘巷道埋深較大，地應(yīng)力影響大，煤層與頂板穩(wěn)定性不強(qiáng)，可能頂板和幫部會(huì)產(chǎn)生一定變形。且頂板為砂巖，遇水之后強(qiáng)度會(huì)顯著變低，導(dǎo)致穩(wěn)定性變差，從而致使圍巖產(chǎn)生較大變形。這些因素綜合影響著其巷道支護(hù)的耗時(shí)，延長(zhǎng)了掘進(jìn)時(shí)間，降低了掘進(jìn)速度。通過(guò)分析掘進(jìn)所用設(shè)備和同類(lèi)型號(hào)的生產(chǎn)能力之后發(fā)現(xiàn)，其整體作用并未得到充分發(fā)揮。所以其中影響掘進(jìn)速度的最大因素就是支護(hù)和生產(chǎn)流程。特別是生產(chǎn)流程，其中影響因素較多，如人員素質(zhì)不高、勞動(dòng)組織缺乏秩序性、各環(huán)節(jié)銜接不緊密等。所以在技術(shù)優(yōu)化時(shí)，必須從這幾項(xiàng)影響因素著手進(jìn)行。

3 高應(yīng)力煤層快速掘進(jìn)技術(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化巷道斷面形狀

當(dāng)前巷道內(nèi)作業(yè)機(jī)械尺寸越來(lái)越大，因此必須有更大更加適合的巷道斷面積。一方面，直接從巷道使用著手。巷道一般發(fā)揮作用的主要是剖面積，所有生產(chǎn)活動(dòng)都要在其斷面積當(dāng)中開(kāi)展[2]。同時(shí)整個(gè)作業(yè)過(guò)程有一定通風(fēng)要求，所以斷面本身就屬于硬性規(guī)定。另一方面，直接考慮巷道變形。巷道圍巖位移場(chǎng)所就是斷面積周長(zhǎng)一圈之內(nèi)，位移量也具有一定區(qū)域特性，由此能夠看出巷道斷面形狀給其圍巖受力和變形帶來(lái)的影響極深。高應(yīng)力煤巷尾圍巖變形量大、持續(xù)時(shí)間久、底鼓較為嚴(yán)重，所以為了使高應(yīng)力情況下的煤巷支護(hù)難度降低，還必須從各個(gè)角度著手，盡可能降低高應(yīng)力給巷道圍巖表面帶來(lái)的破壞，具體可以從巷道的剖面形狀著手，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其斷面受力情況的進(jìn)一步優(yōu)化。

目前國(guó)內(nèi)礦井巷道斷面最常用的形狀主要有五種（見(jiàn)圖1），給其建立模擬區(qū)域。

圖1 巷道斷面最常見(jiàn)的五種形狀

在應(yīng)力特征中，應(yīng)力集中區(qū)域的產(chǎn)生與巷道挖掘之后產(chǎn)生的圍巖周?chē)鸁o(wú)限制自由面有一定關(guān)系，在其表面四周，圍巖應(yīng)力重新分布，并在不同位置和應(yīng)力集中程度之下，出現(xiàn)集聚應(yīng)力。這一位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力極值，并且斷面形狀不同，最大應(yīng)力極值也會(huì)有所差異。在上述五種形狀中，其垂直應(yīng)力最大的應(yīng)該是圓形，接下來(lái)則為拱形、矩形，然后才是微梯形，最后是梯形。從整體來(lái)看，其應(yīng)力規(guī)律大致相同，例如應(yīng)力的集中區(qū)域主要分布在兩側(cè)，極值處在中間。

在塑形區(qū)發(fā)育特征中，上述五種形狀只要是存在尖角的其尖角都會(huì)最先受到破壞，并在邊和周長(zhǎng)中點(diǎn)上的拉破壞都會(huì)形成剪切破壞。在矩形斷面當(dāng)中，圍巖主要是剪切破壞，只在幫部與頂板邊緣產(chǎn)生拉壓破壞；在微梯形斷面當(dāng)中，塑性區(qū)域也主要是剪切破壞，甚至在頂板和底角產(chǎn)生拉壓破壞；在梯形斷面中，也是以剪切破壞為核心，只在頂板和幫部邊緣產(chǎn)生拉壓破壞；拱形斷面中，塑性區(qū)也主要是剪切破壞，頂板上方一定范圍和底板中心下方一定范圍內(nèi)為剪切破壞，幫部邊緣存在拉壓破壞，整體比較少；圓形斷面中，塑性區(qū)域也主要是剪切破壞[3]。

另外，矩形巷道和微梯形巷道相關(guān)因素相差并不明顯，但在斷面利用率和施工難易程度上微梯形的和矩形的相比存在一定不足，同時(shí)施工難度和時(shí)間也有所增加。另外圓形斷面雖然更適合高應(yīng)力巷道，但卻不利于施工作業(yè)展開(kāi)和巷道后續(xù)維護(hù)，而矩形斷面能在很大程度上優(yōu)化圍巖受力情況，減少?lài)鷰r變形和破壞出現(xiàn)的可能性。并且，在該高應(yīng)力實(shí)驗(yàn)巷道中，其原支護(hù)設(shè)計(jì)方案就是矩形，不管是人工操作、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還是資金投入，矩形的優(yōu)選級(jí)別都更高。所以綜合來(lái)看，矩形斷面更加適合。

3.2 優(yōu)化支護(hù)技術(shù)參數(shù)

要提升高應(yīng)力煤層掘進(jìn)速度，就必須先確定支護(hù)方案，把各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)合理化，降低支護(hù)過(guò)程的時(shí)間消耗。針對(duì)這一工程而言，主要是對(duì)其本身的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)傳統(tǒng)理論分析模式確定錨桿和錨索的參數(shù)。

在其施工區(qū)域中，煤層直接頂屬于細(xì)粒砂巖，基本頂是泥巖，整體比較穩(wěn)定，適合應(yīng)用錨桿進(jìn)行支護(hù)，再通過(guò)錨索加強(qiáng)，所以可以利用彈塑性懸吊理論對(duì)其支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。①在錨桿長(zhǎng)度方面，常見(jiàn)的長(zhǎng)度整體相差并不大，因此必須綜合考量巷道所在位置的巖層關(guān)系。通過(guò)分析錨桿與錨索預(yù)緊力擴(kuò)散范圍的連接程度可以得知，錨桿應(yīng)力的影響區(qū)域會(huì)在長(zhǎng)度的不斷增加下增長(zhǎng)，但到25m 之后增長(zhǎng)幅度則會(huì)漸漸變低[4]。另外巷道頂部板與兩幫都會(huì)在錨桿長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)下使巷道圍巖的累計(jì)變形量減少，但也僅為25m。通過(guò)綜合權(quán)衡人員和經(jīng)濟(jì)因素，選用25m 的最為適合。②在排距方面，通過(guò)對(duì)垂直應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，每根錨桿和錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)域都能彼此重疊，產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)，這就表明，各類(lèi)排距下的支護(hù)強(qiáng)度都能夠達(dá)到圍巖變形的基本控制需求[5]。因此在實(shí)際確定時(shí)只需要重點(diǎn)對(duì)成本和效果加以考慮即可。③在預(yù)緊力方面，當(dāng)其數(shù)值更大的時(shí)候，錨桿和錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)域也會(huì)更大，更能給圍巖變形帶來(lái)良好的控制效果。從煤層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，雖然較大的預(yù)緊力能夠在支護(hù)控制當(dāng)中產(chǎn)生極大促進(jìn)作用，但也會(huì)給正常作業(yè)施工帶來(lái)影響，比如對(duì)施工機(jī)具要求較高，同時(shí)為了確保質(zhì)量往往需要增加時(shí)間消耗，所以實(shí)際計(jì)算預(yù)緊力時(shí)，還應(yīng)從這幾個(gè)因素著手考慮，確保在降低圍巖變形的基礎(chǔ)上，對(duì)頂板離層實(shí)現(xiàn)有效控制。

3.3 優(yōu)化掘進(jìn)和支護(hù)工藝組織

巷道掘進(jìn)技術(shù)主要包含了破、裝與支護(hù)，整體比較復(fù)雜，影響掘進(jìn)速度的因素較多。實(shí)際在進(jìn)行掘進(jìn)技術(shù)流程優(yōu)化時(shí)可以直接從這幾方面著手。

3.3.1 控制影響時(shí)間的工序因素

原先煤礦工作面的生產(chǎn)活動(dòng)主要是依靠人力，在基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化之后，所有人員的工作任務(wù)變得更加細(xì)致，因此很多常規(guī)工作則會(huì)受到人為因素的影響而導(dǎo)致工作時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)前影響時(shí)間的主要工序因素包含了：一是人員在進(jìn)入工作場(chǎng)地之后，和上一班的交接以及工具準(zhǔn)備比較耗時(shí)；二是掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)備操作熟練程度不足；三是人員與設(shè)備在整體就位之后，掘進(jìn)頭工作區(qū)域中的操作缺乏秩序性，例如臨時(shí)和永久性的支護(hù)之間在協(xié)調(diào)上容易發(fā)生一些沖突，從而需要消耗一定時(shí)間；四是工作面在生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際生產(chǎn)條件也影響著工作進(jìn)展，比如工作過(guò)程中出現(xiàn)了一定干擾，則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力源失去動(dòng)力，或者安全措施難以落實(shí)到位。除了這些因素，其他一些準(zhǔn)備工作也會(huì)給掘進(jìn)時(shí)間帶來(lái)影響，比如帶式輸送機(jī)延長(zhǎng)雖然并不會(huì)占用大量時(shí)間份額，但往往會(huì)因?yàn)楣芾砘蚱渌驅(qū)е抡Ａ鞒淌艿礁蓴_。另外，一班工作結(jié)束之后的清理操作也會(huì)給巷道掘進(jìn)速度帶來(lái)一定影響。

因此，則應(yīng)從這幾方面著手控制優(yōu)化：一是對(duì)交接班進(jìn)行完善。例如對(duì)于工作面過(guò)度混亂的情況，應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)落實(shí)各班的整理工作，不要單獨(dú)消耗時(shí)間；或支護(hù)材料缺乏秩序，則應(yīng)幫助操作人員建立起標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)；對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的各類(lèi)設(shè)備故障，應(yīng)與檢修班組之間加強(qiáng)協(xié)調(diào)。二是對(duì)割煤方式進(jìn)行完善。①重視設(shè)備應(yīng)用情況，在很多礦井中，時(shí)常出現(xiàn)人員對(duì)新型設(shè)備操作不精的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備本身的生產(chǎn)效力未能充分發(fā)揮出來(lái)，為此必須充分落實(shí)設(shè)備操作培訓(xùn)工作，提升人員對(duì)新設(shè)備的關(guān)注度和操作熟練度。②在實(shí)際支護(hù)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)橄锏肋^(guò)高，導(dǎo)致很多操作無(wú)法得到充分落實(shí)，為此可以先截割上半部分，將殘留的碎渣作為平臺(tái)，便于后續(xù)幫部和頂板支護(hù)工作的展開(kāi)[6]。③在支護(hù)銜接方面，則應(yīng)在臨時(shí)支護(hù)過(guò)程中，將機(jī)械和人工的工作內(nèi)容協(xié)調(diào)好，盡可能減少臨時(shí)支護(hù)時(shí)間消耗。永久支護(hù)時(shí)，通過(guò)充分應(yīng)用機(jī)械作業(yè)時(shí)間，開(kāi)展工作面等其他能夠平行工作的環(huán)節(jié)，盡可能加快掘進(jìn)速度。

3.3.2 優(yōu)化永久支護(hù)

在該工程中，由于錨護(hù)機(jī)中部有立柱阻擋錨桿機(jī)，致使整個(gè)工序失去了連續(xù)性，而要將臨時(shí)支護(hù)完全撤出則要消耗一定時(shí)間，所以則應(yīng)對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行完善。在這之中，將中間錨桿去掉，并不會(huì)給頂板支護(hù)帶來(lái)不良影響，并且還能使掘錨機(jī)難以打注中間錨桿的問(wèn)題得到解決，使工序更加連貫，并減少時(shí)間消耗。

3.3.3 優(yōu)化工序循環(huán)

在反掘段中，受到煤體較軟、圍巖較碎和瓦斯突出的影響，整體在使用每循環(huán)進(jìn)尺1.3m，每班實(shí)施4個(gè)循環(huán)，每天進(jìn)行8個(gè)循環(huán)的工序循環(huán)模式。但實(shí)際上，當(dāng)頂班正常的時(shí)候可以將進(jìn)尺量適當(dāng)提升，所以針對(duì)其具體情況，可以將每循環(huán)的進(jìn)尺量提高到2.3m，每班進(jìn)行3 個(gè)循環(huán)，每天實(shí)施6 循環(huán)。這樣一來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)人員的合理分配，開(kāi)展平行作業(yè)，降低人員的工作量，同時(shí)促進(jìn)掘進(jìn)速度提升。

4 結(jié)語(yǔ)

從整體分析情況來(lái)看，影響掘進(jìn)速度的主要因素包含了支護(hù)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過(guò)程管理。在實(shí)際優(yōu)化時(shí)，通過(guò)綜合分析巷道斷面形狀之后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其形狀是矩形的時(shí)候能夠得到良好的較低的成本投入，同時(shí)受力環(huán)境也更佳，能有效減輕支護(hù)壓力。在優(yōu)化掘進(jìn)速度時(shí)，主要從具體影響時(shí)間的工序因素著手，如人員交接班耗時(shí)、掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)備操作熟練程度、操作過(guò)程缺乏秩序性、工作過(guò)程存在一定干擾因素等，逐一制定出優(yōu)化措施，進(jìn)一步完善工序流程，強(qiáng)化永久支護(hù)。