關 欣

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部）

趙莊二號井23092順槽采用綜掘機+鉆車的鉆機方式，井下巷道掘進和支護效率均難以滿足掘進經濟性和可靠性的需求，因此迫切需要對井下巷道掘進方案進行優(yōu)化，提高巷道掘進的效率和安全性。

王俊峰［1］提出了利用綜掘機替代傳統爆破掘進技術，對綜掘機的應用要點和新的臨時支護技術進行了研究，證實了在井下巷道掘進作業(yè)過程中采用自動化程度高的綜掘設備的可行性。朱現磊等［2］借助因子分析法，對不同支護措施進行模擬，獲取了科學的支護參數，針對性地對井下支護方式進行了優(yōu)化，顯著提升了井下巷道支護的可靠性。

為了進一步提升趙莊二號井巷道的掘進速度和安全性，引進了EBZ160 型掘錨護一體機，并結合井下巷道的地質情況，利用數值模擬仿真分析的方式對支護參數進行分析，確定出最佳的支護方案及截割循環(huán)方案。

1 工程概況

趙莊二號井是生產礦井，井田范圍內開采3#煤層。西盤區(qū)地質條件比較復雜，煤巖體物理、力學性質條件差，地質構造比較發(fā)育，尤其是頂板條件變化很大。煤層平均厚度7.2 m，直接頂為泥巖或砂質泥巖，厚度0～13.6 m，平均3.39 m，基本頂為粉砂巖或細砂巖，厚度0.6～23.56 m，平均5.55 m。該煤礦采用了一次采全高綜采放頂煤開采方案。井下23092 順槽主要用于作業(yè)面提升物料運輸、人員通行的通道，該作業(yè)面沿煤層底板掘進，井下巷道的寬度為5.5 m，高度為3.6 m。在井下23092 順槽掘進中采用的是傳統的綜掘機+鉆車鉆進模式，整體的掘進效率較低。

2 巷道快速掘進方案設計

2.1 掘錨護一體機截割

由于采用手工支護，掘、支分離導致井下巷道掘進作業(yè)的效率較低，因此提出了引進新的EBZ160 型掘錨護一體機。該設備集機電液于一身，能夠實現巷道掘進、物料裝運、錨護等功能，有效地解決了目前井下巷道掘進時設備數量多、錯機輔助時間長、操作人員多、掘進效率低、工人勞動強度大、安全隱患高、經濟性差的難題［3］。

在使用掘錨護一體機進行巷道掘進時，發(fā)現其最小控頂距約為1 800 mm，控頂距較大，而且由于煤層結構相對破碎，在掘進過程中雖然有臨時前探梁支護，但依然存在明顯的漏頂情況，對巷道掘進效率和安全均產生了一定的影響，因此結合井下掘進情況，對巷道割煤、支護工序及掘錨機截割循環(huán)方式等進行了優(yōu)化。在支護錨桿的時候在煤壁的中間位置插入截割滾筒進行割煤作業(yè)，從而有效降低截割作業(yè)時的空頂距離，避免出現頂板的漏頂情況。優(yōu)化后的掘錨機截割循環(huán)方案如圖1所示。

2.2 掘錨機支護方案

根據對EBZ160 型掘錨護一體機技術參數的分析，其工作時的固定進尺為1 000 mm，掘錨機上的錨桿設備所能提供的頂、幫錨桿機的間距是1 300 mm，而井下順槽間錨桿支護時的排距為1 000 mm。因此在利用掘錨護一體機進行巷道頂板、幫部支護時無法一次完成一排。

為了保證在支護時巷道頂錨桿和幫錨桿能達成一排，在進行作業(yè)時需要連續(xù)2 個循環(huán)進尺，而且在進尺過程中不能進行幫錨桿支護。在此工況下頂錨桿是超前于幫錨桿約2 000 mm，需要將機組后退約600 mm，然后開始設置幫錨桿，保證頂錨桿和幫錨桿在同一排；或者在進行2 個循環(huán)進尺之后不退機組［4］，雖然頂錨桿和幫錨桿不在同一排，但無需退機，更加節(jié)約時間。

結合井下順槽的實際情況，首次提出利用FLAC3D仿真分析軟件對頂錨桿支護和幫錨桿支護對齊以及頂錨桿超前幫錨桿400 mm 2 種狀態(tài)下的巷道支護應力變化情況進行分析。為了保證分析的可靠性，此情況下的各巖層仿真分析參數均和實際狀態(tài)保持一致，巷道上覆巖的有效載荷為8 MPa，各個仿真參數匯總如表1 所示。兩種方案下的仿真分析結果如圖2所示。

由仿真分析結果可知，頂錨桿、幫錨桿齊平時的最大應力約為0.035 157 MPa，當頂錨桿超前幫錨桿400 mm 時，其所受的最大應力約為0.035 MPa。深入分析后發(fā)現，由于當頂錨桿和幫錨對齊時，二者所受的壓應力都集中在一個平面上，應力相互疊加，進而產生的主應力較大。

綜合分析后可知，2 種方式下的最大應力場分布基本一致，而采用2 個循環(huán)進尺之后，不退機組的方案能夠一次節(jié)省約10 min，掘進效率更高。此時雖然頂錨桿和幫錨桿不齊平，但由于在支護過程中頂錨桿支護完成后是緊接著幫部進行巷道支護，因此也能保證不發(fā)生片幫的冒頂現象。

3 巷道圍巖支護優(yōu)化

3.1 支護方式分析

由于井下順槽處的煤層破碎度較高，而且比較松軟，為了提高穩(wěn)定性，需要較大的支護阻力。對不同支護方案進行對比，并結合井下實際施工條件，確定采用高強度、高預應力錨桿支護技術。為了保證支護的穩(wěn)定性，引入了FLAC3D數值模擬仿真分析軟件［5］，對不同錨桿預應力、錨桿錨固方式及鋼帶情況下的支護效果進行分析，從而科學、合理地確定在進行支護時的最佳工藝參數。

（1）錨桿預應力分析。錨桿的預應力不足會導致錨桿四周的巖體中產生的壓應力區(qū)域不足，錨桿之間的預應力難以形成穩(wěn)固的支護整體，因此錨桿只有在足夠的預應力作用下才能保證支護區(qū)域內支護效果的穩(wěn)定性。結合長期支護經驗及理論分析，將錨桿預應力應設置為錨桿屈服強度的40%～50%。

（2）錨固方式選擇。目前常用的錨桿方式主要包括端部錨固、加長錨固及全長錨固3 種［6］，對不同錨固方式下巖壁的應力場分布進行研究（圖3）。結果表明，當使用端部錨固方案時，在錨固位置和托盤位置的預應力作用范圍均較大，但在錨桿中間位置壓應力的擴散范圍不足。使用加長錨固方案時，沿整個錨桿方向上的壓應力分布比較均勻，預應力的擴散范圍也較??；使用全長錨固方案時，預應力的擴散區(qū)域最小，而且在巖壁內會形成一個類似“Y”型的壓應力分布區(qū)域，提高巖壁的穩(wěn)定性。因此在進行支護時優(yōu)先選擇全長錨固方案，實現對頂板巖層的穩(wěn)定控制。

（3）鋼帶作業(yè)分析。在進行支護時，鋼帶是否必須使用，目前并沒有一個直觀、科學的分析。因此文章對使用鋼帶和不使用鋼帶情況下的巷道應力場分布情況進行了分析，發(fā)現當采用無鋼帶支護方案時，在錨桿中部和錨桿尾部會產生相互獨立的壓應力區(qū)域，預應力產生的有效范圍較??；采用有鋼帶支護方案時，所產生的壓應力范圍相互疊加，不同錨桿之間的壓應力影響區(qū)域相互連接，從而形成了一個完整的壓應力影響區(qū)域。因此采用鋼帶后能夠提高錨桿的壓應力影響范圍，改善錨桿的支護效果，實現對圍巖變化的主動控制。

3.2 支護方案優(yōu)化

根據模擬仿真分析結果，結合井下的實際地質情況，確定了高強度高預應力錨桿支護方案。

（1）巷道頂板支護。頂板支護時所使用的錨桿規(guī)格為直徑20 mm，長度2 000 mm，錨桿之間的排距設置為1 m，在巷道中間位置的2 個錨桿之間的距離設置為1.1 m，其他的錨桿間距都設置成0.95 m。錨桿垂直于巷道布置，預緊扭矩為400 N·m。錨索為直徑17.8 mm、長度6.3 m 的7 股高強度鋼絞線，間距和排距都設置為2 m，錨索垂直于頂板布置，預緊力為150 kN。在巷道頂板位置設有直徑是6 mm 的鋼筋編制成的護網，每個網孔規(guī)格為100 mm×100 mm，同時利用尺寸為450 mm×280 mm×4 mm的W型鋼帶，提高錨桿固定的穩(wěn)定性。

（2）巷道兩幫支護。所使用錨桿的規(guī)格和巷道頂板支護時的一致，可以有效減少井下物料類型，提高通用化程度。在兩幫處錨桿的間距和排距均設置為1 000 mm，垂直于巷道幫部布置，預緊時的扭矩設置為400 N·m。利用菱形金屬網進行護幫，網片網孔規(guī)格為60 mm×60 mm，在幫部同樣需要設置W 型鋼帶加強。

井下巷道頂板支護結構如圖4所示。

4 井下應用情況分析

應用新的巷道快速掘進和支護技術后，井下巷道每天的進尺由最初的14 m/d，提升到20 m/d，巷道掘進效率提升了42.8%。掘進過程中完成一次循環(huán)作業(yè)的時間約為50 min，比優(yōu)化前降低了約30 min，循環(huán)作業(yè)時間比改善前降低了37.5%，有效地提升了巷道的掘進效率。

在掘進過程中，在掘進面10、15、25 m 的位置設置了位移監(jiān)測傳感器，優(yōu)化后巷道頂底板變形量如圖5（a）所示，巷道兩幫變形量如圖5（b）所示。

由實際監(jiān)測結果可知，優(yōu)化后巷道頂板和底板的位移量約為107.9 mm，比優(yōu)化前降低了88.3%，巷道兩幫移近量約為68 mm，比優(yōu)化強降低了74.7%，提升了井下巷道掘進作業(yè)時的安全性。

5 結論

（1）EBZ160型掘錨護一體機集機電液于一身，能夠實現巷道掘進、物料裝運、錨護等功能，解決了巷道掘進時設備數量多、掘進效率低的難題。

（2）FLAC3D仿真分析軟件能夠有效模擬不同工況下井下巷道內的應力變化情況，為合理制定支護工藝參數和支護方案提供技術支持。

（3）首次采用2 個循環(huán)進尺之后不退機組的方案，能夠將井下巷道內掘進效率提升42.8%，巷道頂板變形量降低88.3%，巷道兩幫移近量降低74.7%。