复杂地质条件下巷道断面优化及快速掘进工艺研究

申 建 伟

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司，山西 长治 047100）

0 引 言

随着煤矿的不断开采，巷道掘进面临着越来越复杂的地质条件，巷道掘进速度严重制约了矿井的安全生产，选取合适的巷道断面形状、合理的支护方式及快速掘进工艺是提高巷道掘进速度、降低巷道成本、保证矿井安全高效开采的重要因素[1-2]。

张聪[3]针对4 台煤矿21022 巷机头段采用双向开口分层掘进施工工艺，快速完成了掘进任务；李红斌[4]分析了影响井下巷道掘进的几个因素，并在此基础上探讨了快速掘进技术措施；齐首靖[5]针对正城煤矿采用了新型的掘进和支护设备，大大提高了巷道掘进速度。现针对经坊煤业3-807 工作面回风顺槽进行断面优化和快速掘进工艺研究。

1 矿井概况

经坊煤业位于山西省长治市，批准开采3 号煤层，生产规模300 万t/a，3-807 工作面位矿井井田西北部，设计工作面长度200 m，顺槽长度1 960 m，煤层平均厚度5.6 m，3 号煤层位于二叠系下统山西组下部，下距9 号煤层55.72～79.70 m，煤层赋存标高250～500 m，埋藏深度440～680 m。平均580.4 m。煤层厚4.24～6.52 m，平均厚度为5.65 m。3 号煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 3 号煤层顶底板岩层分布表

2018 年山西经坊煤业组建了开拓队、掘进队，采用综合机械化掘进工艺进行施工，但由于其地质条件复杂、煤层松软、破碎；加之员工技术水平低，劳动组织不尽合理，导致采掘衔接紧张。因此，3 号煤的安全快速掘进是实现工作面安全开采的重要条件。

2 试验巷道复杂地质条件表现特征

开展煤巷快速掘进，需对巷道所处具体条件进行分析研究，3-807 回风顺槽复杂地质条件的表现特征为：

1）伪顶炭质泥岩和直接顶泥岩为软岩，巷道复合顶板成型困难，容易冒落。

2）工作面所处地质环境较复杂，褶曲和断层较多，围岩较破碎。

3）煤层顶底板砂岩裂隙发育、已形成导水通路，进而发生涌水事故。

4）煤层瓦斯含量较高，瓦斯压力较大，需进行瓦斯治理。

3 巷道断面及支护技术优化

3.1 巷道断面数值模拟研究

根据3-807 工作面煤层及顶底板岩石力学参数，爱用FLAC 3D 建立数值模拟模型，模拟巷道都不支护且地质条件相同的条件下，分析比较梯形断面与拱形断面在掘进期间，变形量及围岩应力状态，选取合适的巷道断面，2 种巷道断面均沿煤层卧底布置。

分析数值模拟结果，可得距离掘进头10m 处巷道应力分布、位移分布和塑性区发育情况，参见下图。

图1 拱形巷道垂直应力分布

图2 梯形巷道垂直应力分布

图3 拱形巷道垂直位移分布

图4 梯形巷道垂直位移分布

图5 拱形巷道塑性区分布

图6 梯形巷道塑性区分布

图1—图2 显示巷道垂直应力分布规律：拱形断面巷道在掘进过程中产生的最大垂直应力21.8 MPa，梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大垂直应力25.7 MPa；由数值模拟巷道水平应力得到：拱形断面巷道在掘进过程中产生的最大水平应力18.3 MPa，梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大水平应力20.7 MPa；通过2 种巷道形式引起的应力分布分析，拱形断面巷道比梯形断面巷道引起的应力集中要小的多。

图3—图4 显示巷道垂直位移分布规律：拱形断面巷道在掘进过程中产生的最大顶板下沉量21.9 mm，梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大顶板下沉量47.7 mm；由数值模拟巷道水平位移得到：拱形断面巷道在掘进过程中产生的两帮最大收缩量39.8 mm，梯形断面巷道在掘进过程中产生的两帮最大收缩量82.5 mm；拱形断面巷道在掘进过程中产生的最大底臌量18.0 mm，梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大底臌量29.7 mm；通过2 种巷道形式引起的应力分布分析，拱形断面巷道比梯形断面巷道在掘进过程中距工作面10 m 处引起的巷道收缩量要小的多。

图5—图6 显示巷道塑性区分布规律：拱形断面巷道顶板塑性区深度1.5 m，梯形断面巷道顶板塑性区深度2.7 m；拱形断面巷道两帮塑性区深度1.5 m，梯形断面巷道两帮塑性区深度3.0 m；拱形断面巷道底板塑性区深度2.0 m，梯形断面巷道顶板塑性区深度3.0 m；通过2 种巷道形式引起的塑性区分析，梯形断面比拱形断面巷道的塑性区发育。

通过以上分析，可以确定巷道选用拱形断面受力更小、围岩变形量小且塑性区破坏范围较小，因此针对此类复合顶板岩层时拱形断面更为适用。

3.2 快速掘进巷道分级弱化支护方案

为了有效控制复合顶板变形量，实现掘、支平行化作业，对快速掘进巷道提出了滞后迎头分级弱化支护技术，具体为掘进迎头先打主要承载锚杆，其余锚杆及锚索滞后一段距离设置，增大掘进时支护距离，以实现掘支平行化作业，选取以下5 个方案进行拱形巷道围岩位移分布进行数值模拟研究，选择最佳支护方案。

他将节足拿至眼前，望了望整齐平滑的切口，心中既痛且恼，道：“天葬刀，果然名不虚传！小生今天，倒要好好讨教一二！”言罢，身躯猛地弹起，节足大展，朝着天葬师扑下。

表2 方案布置表

通过分析5 中方案下不同掘进距离时巷道围岩变形量，得到如表3 所示。

表3 巷道顶底板移近量表（mm）

分析数据可知，采用以上5 个方案进行巷道支护时，除方案5 顶底板移近量较大之外，其余方案巷道变形量均差不多，其中方案3 最小，因此，选用方案3进行分级弱化支护方案设计。

4 快速掘进工艺流程及方案优化研究

4.1 掘进设备及配套设备优化研究

1）综掘机选型。根据综掘机选型的原则，选用EBZZOOH 悬臂式掘进机。

2）配套装备选用研究。根据山煤集团经坊煤业有限公司现有设备，使用EBZ-200H 型悬臂式掘进机割煤和装煤，配套SGB-420 型刮板运输机1 部，SSJ-800 型胶带运输机1 部，QZP-200 型桥式转载机1 部 ，MQT130/2.75 风 动 锚 索 钻 机 3 台 ，FBDNo6.3-2×18.5 kW 对旋局扇 1 台，2 台锚索张拉仪，2 个风动扳手等。

4.2 施工工艺优化

1）综掘机截割工艺。综掘机截割线路如图7，2位切割起点，由巷道顶部开始进刀，按照S 型路线将巷道切割至设计断面，切割头有效切割深度为200 mm 左右，完成切割后，退出综掘机进行支护，然后进行下一循环。

图7 综掘机截割线路示意图

2）多工序交叉平行作业。在保证安全生产时，尽量采用多工序交叉平行作业，提高工作效率，降低巷道成本。顶部锚杆与帮部锚杆平行作业，滞后锚杆与运料平行作业。

5 结束语

针对经坊煤矿3-807 工作面回风顺槽巷道掘进断面及速度问题，采用FLAC 3D 数值模拟手段和工程经验对巷道断面及支护进行了优化研究：

采用数值模拟对巷道梯形和拱形断面进行应力分布、围岩变形、塑性区分布规律研究，得到拱形断面受力更小、围岩变形量小且塑性区破坏范围较小，因此针对此类复合顶板岩层时拱形断面更为适用；模拟了5 种支护方案，最终采用方案3 进行分级弱化技术；针对工作面巷道掘进设备及施工工业进行了优化研究。