掘锚一体机切眼大断面一次成巷掘进技术应用
时间：2023-06-16 15:10:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘爱云
(鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，鄂尔多斯 017000)
近年来，随着我国机械化水平的提高，综掘机等设备在矿井得到了广泛应用。虽然综掘掘进速率快，但其仅具有单一的掘进功能，支护占成巷时间的比重大，造成巷道总掘进时间长，这成为制约快速成巷的瓶颈[1-5]。因此，如何提高巷道的支护效率是当前快速成巷面临的关键问题[6-7]。掘锚一体机能够实现掘进与支护同步施工，解决成巷过程中掘锚分离的问题，减少支护所占用的时间，满足巷道快速掘进的要求[8-9]。掘锚一体机在内蒙、陕西等一些煤层条件较为简单的矿井已实现应用，大大提高了巷道掘进速率，缓解了采掘接替紧张的局面[10-11]。但掘锚一体机受地质条件影响较大，在巷道处于高应力、软岩等复杂条件时，围岩易发生冒顶、片帮等问题，限制了掘锚一体机的使用[12-13]。本文针对母杜柴登煤矿巷道掘进速率较慢的现状，采用理论分析、数值模拟及现场实测等手段，对掘锚一体机快速成巷工艺进行研究，大大提高了巷道的掘进速率，为类似条件下巷道的快速掘进提高了宝贵经验。
母杜柴登煤矿30207工作面位于井田南翼中部，302盘区东侧，主采煤层为3-1煤煤，设计采高4.8 m，生产能力4.2 Mt/a。工作面设计长度3 500 m，宽度326 m，走向南北，向302盘区西部接续。煤层厚度为3.8～6 m，总体南部厚，北部薄：煤层埋深为630.8-～654.61 m，南浅北深；
煤层底板标高在+631.1～+646.132 m之间，南高北低；
整体为单斜构造，工作面煤层倾角1～2°，煤层倾向为北西向，工作面回采将以小角度俯采为主。煤层地质条件较为简单，顶板主要为粉砂岩及细粒砂，底板主要为粉砂岩、砂质泥岩。矿井钻孔勘探显示，以顶板砂岩含水层充水为主，20 m以下含水层富水性较弱，但水压较大。通过疏放水钻孔将工作面顶板冒落裂缝带发育范围内的含水层水疏放至不承压状态，减少采后涌水量，尤其是减少初次顶板垮落及周期性顶板垮落过程中的涌水量，使工作面顶板水能够平稳泄出，保证了采掘安全。30207运输巷掘进断面19.44 m2，采用锚网索支护，原支护参数见表1。
表1 30207运输巷原支护参数
2.1 原施工工艺
30207运输巷原采用EBZ230型掘进机掘进，掘进机参数，见表2。
表2 EBZ230型掘进机参数
巷道原掘进工艺受掘进与支护分离影响，成巷速率慢，月进尺约240 m，造成矿井采掘交替紧张。为提高巷道掘进速率，该矿提出采用掘锚一体机提高成巷速率，缩短掘进与支护的时间，保证巷道的掘进进尺满足回采需求。
2.2 掘锚一体施工工艺
目前影响巷道快速掘进的主要因素是支护所占用的时间，占成巷总时间的75%左右。为提高成巷速率，30207运输巷采用MB670型掘锚一体机施工，将掘进与支护等工序同步作业，减少支护所需的时间，提高成巷速率，具体参数见表3。
表3 MB670型掘锚一体机参数
根据巷道围岩特性、掘锚一体机工艺特征，需要巷道支护工艺进行优化，减少支护所占用时间，提高成巷速率。
根据顶板岩层性质确定循环进尺，保证巷道掘进的安全性。如果顶板完整性、稳定较好时，最大控顶距不超过3 m，掘锚一体机施工时控顶距为2 m，并采用液压支架前探梁进行临时支护；
如果顶板完整性、稳定性较差时，需在顶板施工锚杆、锚索进行超前支护，并实行短掘短支。现场施工时，巷道两帮支护可以适当滞后补打，缩短支护所占用的时间。单循环打6根顶锚杆、2根顶锚索，施工锚索同时，在两帮上部滞后补打1根锚杆、下部打3根锚杆，滞后范围为迎头向外15 m段。
3.1 模拟方案
采用FLAC3D数值模拟锚杆、锚索不同参数时应力分布情况，确定巷道最合理支护参数。建立100 m×40 m×30 m力学模型，垂直方向施加8 MPa荷载，材料参数见表4。
表4 30207运输巷材料参数
3.2 模拟结果分析
(1)锚杆预紧力
在30207运输巷顶板、帮部分别布置6根和4根Φ22×2 000 mm的锚杆，设计预紧力分别为20、40、60和80 kN时应力分布情况，如图1所示。
由图1可知，随着锚杆预紧力的增加，锚固范围逐渐增大。当预紧力为20 kN时，顶板和两帮预应力扩散范围小，仅在锚固段附近和锚杆尾部0.5 m内扩散良好，围岩最大压应力值低。当预紧力为40 kN时，预应力扩散范围仍较小，围岩最大压应力仅为0.07 MPa。当预紧力为60 kN时，预应力扩散至锚杆整个锚固范围，围岩最大压应力为0.14 MPa。当预紧力为80 kN时，预应力扩散范围较好，围岩最大压应力为0.17 MPa。为了提高支护强度，尽量增大锚杆支护预紧力，同时需结合现场施工条件及成本等因素，建议30207运输巷锚杆预紧力为60 kN。
图1 不同预紧力围岩应力分布情况
(2)锚杆数量
在30207运输巷顶板分别施工4根、6根、8根Φ22×2 000 mm的锚杆，预紧力为60 kN，应力分布情况如图2所示。
图2 不同锚杆数量围岩应力分布情况
由图2可知，随着锚杆数量的增加，锚杆形成的压应力逐渐叠加。虽然锚杆数量为4根、6根、8根时最大压应力值均为0.14 MPa，但锚杆间距不同，应力相互叠加效果不同。当锚杆数量4根时，应力相互叠加效果较差；
当锚杆数量增加至6根后，应力相互叠加效果明显，能形成较好的压力拱；
当锚杆数量增加至8根后，应力相互叠加效果基本与6根相同。结合矿井施工条件及成本等因素，建议30207运输巷锚杆数量为6根。
(3)锚杆长度
在30207运输巷分别布置直径22 mm，长度分别为1 600、2 000和2 400 mm时应力分布情况，预紧力为60 kN，应力分布情况如图3所示。
图3 不同锚杆长度围岩应力分布情况
由图3可知，锚杆长度对围岩预应力扩散情况影响较小，仅仅沿着锚杆轴线方向有一定影响。对于锚杆长度的确定，应当在能保证围岩稳定性的前提下，适当缩短锚杆长度。由于30207运输巷围岩完整性、稳定性相对较好，建议30207运输巷锚杆长度2 000 mm。
(4)锚索长度
在30207运输巷分别布置直径17.8 mm，长度分别为4 300、6 300和8 300 mm时应力分布情况，张拉力为150 kN，锚杆规格为Φ22×2 000 mm，预紧力60 kN，应力分布情况如图4所示。
图4 不同锚索长度围岩应力分布情况
由图4可知，随着锚索长度的增加，减弱围岩预应力扩散效果，与锚杆应力叠加效果相对较差。对于锚索长度的确定，应当在能保证围岩稳定性的前提下，适当缩短锚索长度。由于煤层厚度较大，巷道顶板煤层及砂质泥岩强度较低，建议30207运输巷锚索长度6 300 mm。
(5)排距
在30207运输巷分别设置锚杆排距为1 000 mm，锚杆规格为Φ22×2 000 mm，预紧力为60 kN，锚索规格为Φ17.8×6 300 mm，应力分布情况如图5所示。
图5 锚杆排距1 000 mm时围岩应力分布情况
由图5可知，随着锚杆、锚索排距缩小，相邻锚杆、锚索间压应力叠加效果好，但当排距减小至一定程度后，对有效压应力扩大、锚索预应力扩散变得不在明显。当锚杆排距1 000 mm时，围岩应力场形成的最大应力值为0.14 MPa，相邻锚杆、锚索间应力叠加效果能够满足巷道支护需求，建议30207运输巷锚杆排距1 000 mm。
4.1 支护参数
采用FLAC3D模拟30207运输巷锚杆、锚索不同参数时围岩应力分布情况，结合施工条件及成本等因素，对原巷道支护参数进行了优化，具体参数见表5。
表5 30207运输巷优化后支护参数
锚杆预紧力不低于60 kN，锚杆、锚索锚固力均不低于15 t，支护示意图如图6所示。
图6 30207运输巷支护示意图
4.2 优化后的支护模拟效果分析
对30207运输巷锚杆、锚索支护参数进行优化后，采用FLAC3D模拟巷道围岩应力及位移分布情况，验证支护参数能否保证围岩稳定性，应力分布情况模拟结果如图7所示，位移分布情况模拟结果如图8所示。
图7 30207运输巷围岩应力分布图
图8 30207运输巷围岩位移分布图
由图8可知，对30207运输巷锚杆、锚索支护参数进行优化后，巷道围岩应力和位移情况发生了明显改善。垂直应力集中在巷道帮部，水平应力集中在顶底板，最大垂直应力和水平应力分别为10.92、11.25 MPa，最大顶板下沉量、底鼓量及两帮移近量分别为13、20和24 mm。根据模拟结果可知，巷道支护参数优化后，巷道围岩变形量较小，在安全范围内。因此，优化后的支护方案能够满足巷道围岩完整性、稳定性的要求。
对30207运输巷锚杆、锚索支护参数进行优化施工后，通过监测巷道围岩变形量验证支护效果，在监测的120 d内巷道围岩变形情况如图9所示。
图9 30207运输巷围岩变形情况图
由图9可知，在监测的120 d内，巷道围岩变形量先增加后逐渐稳定，变形量主要集中在前7 d内。根据监测结果可知，最大顶板下沉量为45 mm，最大变形速率为15 mm/d；
最大两帮移近量为47 mm，最大变形速率为13 mm/d。支护参数优化后有效提高了围岩强度，减小了围岩变形量，支护效果较好，能够保证围岩稳定性。
(1)该矿采用掘锚一体机后，施工时间大大缩短，平均单循环时间由90～106 min缩短至55～63 min，每天增加6个循环，日循环进尺由8 m提高至13 m，单月进尺由240 m提高至400 m。同时，减少施工人员，原13人可完成的任务缩短至8人。
(2)支护参数优化后，与原支护相比减少材料的销号，支护材料成本由3 299.4元/m减少至2 666元/m，降幅19.2%。
(1)针对30207运输巷掘进速率较慢的现状，该矿采用MB670型掘锚一体机施工，将掘进与支护等工序同步作业，减少支护所需的时间，提高成巷速率。
(2)巷道掘进后，原支护参数不足以满足掘锚一体机施工要求，采用FLAC3D模拟不同锚杆预紧力、数量、长度、排距及锚索长度时围岩应力分布情况，确定最优支护参数。根据模拟结果可知，建议巷道采用预紧力60 kN、数量6根、长度2 000 mm、排距1 000 mm的锚杆及长度为6 300 mm锚索对巷道进行支护。支护参数优化后，通过模拟巷道围岩应力分布及位移变化情况，得到最大垂直应力和水平应力分别为10.92、11.25 MPa，最大顶板下沉量、底鼓量及两帮移近量分别为13、20、24 mm，巷道围岩变形量较小，能够满足巷道围岩完整性、稳定性的要求。
(3)支护参数优化现场施工后，通过监测巷道围岩变形量验证支护效果。在监测的120 d内，最大顶板下沉量为45 mm，最大变形速率为15 mm/d；
最大两帮移近量为47 mm，最大变形速率为13 mm/d。支护参数优化后有效提高了围岩强度，减小了围岩变形量，支护效果较好。
(4)采用掘锚一体机不仅提高了巷道的掘进速率，单月进尺由240 m提高至400 m，还节约了经济成本，支护材料由3 299.4元/m减少至2 666元/m，降幅19.2%。
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