赵庄二号井巷道快速掘进及支护方案研究

时间：2024-07-28

关欣

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部）

赵庄二号井23092顺槽采用综掘机+钻车的钻机方式，井下巷道掘进和支护效率均难以满足掘进经济性和可靠性的需求，因此迫切需要对井下巷道掘进方案进行优化，提高巷道掘进的效率和安全性。

王俊峰［1］提出了利用综掘机替代传统爆破掘进技术，对综掘机的应用要点和新的临时支护技术进行了研究，证实了在井下巷道掘进作业过程中采用自动化程度高的综掘设备的可行性。朱现磊等［2］借助因子分析法，对不同支护措施进行模拟，获取了科学的支护参数，针对性地对井下支护方式进行了优化，显著提升了井下巷道支护的可靠性。

为了进一步提升赵庄二号井巷道的掘进速度和安全性，引进了EBZ160 型掘锚护一体机，并结合井下巷道的地质情况，利用数值模拟仿真分析的方式对支护参数进行分析，确定出最佳的支护方案及截割循环方案。

1 工程概况

赵庄二号井是生产矿井，井田范围内开采3#煤层。西盘区地质条件比较复杂，煤岩体物理、力学性质条件差，地质构造比较发育，尤其是顶板条件变化很大。煤层平均厚度7.2 m，直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚度0～13.6 m，平均3.39 m，基本顶为粉砂岩或细砂岩，厚度0.6～23.56 m，平均5.55 m。该煤矿采用了一次采全高综采放顶煤开采方案。井下23092 顺槽主要用于作业面提升物料运输、人员通行的通道，该作业面沿煤层底板掘进，井下巷道的宽度为5.5 m，高度为3.6 m。在井下23092 顺槽掘进中采用的是传统的综掘机+钻车钻进模式，整体的掘进效率较低。

2 巷道快速掘进方案设计

2.1 掘锚护一体机截割

由于采用手工支护，掘、支分离导致井下巷道掘进作业的效率较低，因此提出了引进新的EBZ160 型掘锚护一体机。该设备集机电液于一身，能够实现巷道掘进、物料装运、锚护等功能，有效地解决了目前井下巷道掘进时设备数量多、错机辅助时间长、操作人员多、掘进效率低、工人劳动强度大、安全隐患高、经济性差的难题［3］。

在使用掘锚护一体机进行巷道掘进时，发现其最小控顶距约为1 800 mm，控顶距较大，而且由于煤层结构相对破碎，在掘进过程中虽然有临时前探梁支护，但依然存在明显的漏顶情况，对巷道掘进效率和安全均产生了一定的影响，因此结合井下掘进情况，对巷道割煤、支护工序及掘锚机截割循环方式等进行了优化。在支护锚杆的时候在煤壁的中间位置插入截割滚筒进行割煤作业，从而有效降低截割作业时的空顶距离，避免出现顶板的漏顶情况。优化后的掘锚机截割循环方案如图1所示。

2.2 掘锚机支护方案

根据对EBZ160 型掘锚护一体机技术参数的分析，其工作时的固定进尺为1 000 mm，掘锚机上的锚杆设备所能提供的顶、帮锚杆机的间距是1 300 mm，而井下顺槽间锚杆支护时的排距为1 000 mm。因此在利用掘锚护一体机进行巷道顶板、帮部支护时无法一次完成一排。

为了保证在支护时巷道顶锚杆和帮锚杆能达成一排，在进行作业时需要连续2 个循环进尺，而且在进尺过程中不能进行帮锚杆支护。在此工况下顶锚杆是超前于帮锚杆约2 000 mm，需要将机组后退约600 mm，然后开始设置帮锚杆，保证顶锚杆和帮锚杆在同一排；或者在进行2 个循环进尺之后不退机组［4］，虽然顶锚杆和帮锚杆不在同一排，但无需退机，更加节约时间。

结合井下顺槽的实际情况，首次提出利用FLAC3D仿真分析软件对顶锚杆支护和帮锚杆支护对齐以及顶锚杆超前帮锚杆400 mm 2 种状态下的巷道支护应力变化情况进行分析。为了保证分析的可靠性，此情况下的各岩层仿真分析参数均和实际状态保持一致，巷道上覆岩的有效载荷为8 MPa，各个仿真参数汇总如表1 所示。两种方案下的仿真分析结果如图2所示。

由仿真分析结果可知，顶锚杆、帮锚杆齐平时的最大应力约为0.035 157 MPa，当顶锚杆超前帮锚杆400 mm 时，其所受的最大应力约为0.035 MPa。深入分析后发现，由于当顶锚杆和帮锚对齐时，二者所受的压应力都集中在一个平面上，应力相互叠加，进而产生的主应力较大。

综合分析后可知，2 种方式下的最大应力场分布基本一致，而采用2 个循环进尺之后，不退机组的方案能够一次节省约10 min，掘进效率更高。此时虽然顶锚杆和帮锚杆不齐平，但由于在支护过程中顶锚杆支护完成后是紧接着帮部进行巷道支护，因此也能保证不发生片帮的冒顶现象。

3 巷道围岩支护优化

3.1 支护方式分析

由于井下顺槽处的煤层破碎度较高，而且比较松软，为了提高稳定性，需要较大的支护阻力。对不同支护方案进行对比，并结合井下实际施工条件，确定采用高强度、高预应力锚杆支护技术。为了保证支护的稳定性，引入了FLAC3D数值模拟仿真分析软件［5］，对不同锚杆预应力、锚杆锚固方式及钢带情况下的支护效果进行分析，从而科学、合理地确定在进行支护时的最佳工艺参数。

（1）锚杆预应力分析。锚杆的预应力不足会导致锚杆四周的岩体中产生的压应力区域不足，锚杆之间的预应力难以形成稳固的支护整体，因此锚杆只有在足够的预应力作用下才能保证支护区域内支护效果的稳定性。结合长期支护经验及理论分析，将锚杆预应力应设置为锚杆屈服强度的40%～50%。

（2）锚固方式选择。目前常用的锚杆方式主要包括端部锚固、加长锚固及全长锚固3 种［6］，对不同锚固方式下岩壁的应力场分布进行研究（图3）。结果表明，当使用端部锚固方案时，在锚固位置和托盘位置的预应力作用范围均较大，但在锚杆中间位置压应力的扩散范围不足。使用加长锚固方案时，沿整个锚杆方向上的压应力分布比较均匀，预应力的扩散范围也较小；使用全长锚固方案时，预应力的扩散区域最小，而且在岩壁内会形成一个类似“Y”型的压应力分布区域，提高岩壁的稳定性。因此在进行支护时优先选择全长锚固方案，实现对顶板岩层的稳定控制。

（3）钢带作业分析。在进行支护时，钢带是否必须使用，目前并没有一个直观、科学的分析。因此文章对使用钢带和不使用钢带情况下的巷道应力场分布情况进行了分析，发现当采用无钢带支护方案时，在锚杆中部和锚杆尾部会产生相互独立的压应力区域，预应力产生的有效范围较小；采用有钢带支护方案时，所产生的压应力范围相互叠加，不同锚杆之间的压应力影响区域相互连接，从而形成了一个完整的压应力影响区域。因此采用钢带后能够提高锚杆的压应力影响范围，改善锚杆的支护效果，实现对围岩变化的主动控制。

3.2 支护方案优化

根据模拟仿真分析结果，结合井下的实际地质情况，确定了高强度高预应力锚杆支护方案。

（1）巷道顶板支护。顶板支护时所使用的锚杆规格为直径20 mm，长度2 000 mm，锚杆之间的排距设置为1 m，在巷道中间位置的2 个锚杆之间的距离设置为1.1 m，其他的锚杆间距都设置成0.95 m。锚杆垂直于巷道布置，预紧扭矩为400 N·m。锚索为直径17.8 mm、长度6.3 m 的7 股高强度钢绞线，间距和排距都设置为2 m，锚索垂直于顶板布置，预紧力为150 kN。在巷道顶板位置设有直径是6 mm 的钢筋编制成的护网，每个网孔规格为100 mm×100 mm，同时利用尺寸为450 mm×280 mm×4 mm的W型钢带，提高锚杆固定的稳定性。

（2）巷道两帮支护。所使用锚杆的规格和巷道顶板支护时的一致，可以有效减少井下物料类型，提高通用化程度。在两帮处锚杆的间距和排距均设置为1 000 mm，垂直于巷道帮部布置，预紧时的扭矩设置为400 N·m。利用菱形金属网进行护帮，网片网孔规格为60 mm×60 mm，在帮部同样需要设置W 型钢带加强。

井下巷道顶板支护结构如图4所示。