任楼煤矿底抽巷快速掘进施工工艺研究

任楼煤矿底抽巷快速掘进施工工艺研究

高怀海

（皖北煤电集团任楼煤矿，安徽濉溪235123）

摘 要：底抽巷快速掘进是突出矿井水平、采区、采场“三大接替”顺利进行的根本保证。结合任楼矿Ⅱ7226N底抽巷掘进施工情况，通过对底抽巷掘进作业线设备配套选择和排矸系统的优化研究，提出了合理的劳动组织形式及机械化装备和工艺流程，实现了最大限度的底抽巷快速掘进，保证了采煤工作面顺利接续。

关键词：底抽巷；钻爆法；平行作业；施工工序

底抽巷是布置在煤层底板中的岩石巷道，是突出煤层井下抽采瓦斯的通道。底抽巷掘进在突出矿井安全生产中占有重要地位，对保持采掘平衡、保证可持续生产具有重要意义，因此，提高底抽巷施工速度成为突出煤矿生产亟待解决的问题。本文结合任楼煤矿Ⅱ7226N底抽巷掘进施工情况，针对底抽巷具有断面小、服务年限短、长度较长等特点，围绕底抽巷掘进生产全过程的主要工序进行研究和探索，从施工工艺、设施装备及劳动组织等方面进行分析探讨，为底抽巷的快速掘进提供一些有益的参考。

1 工程概况

根据矿井生产要求，Ⅱ7226N底抽巷以－720北大巷G88点为起点，按设计方案最终与Ⅱ7224底抽巷贯通，目的是为Ⅱ7226工作面抽放瓦斯服务。本区岩层呈近单斜构造，水文地质条件简单，岩性多为细砂岩。巷道断面为直墙半圆拱形，巷道宽4.0m，高3.5m，巷道采用锚梁网喷支护。

2 底抽巷掘进施工工艺

2.1 基本工艺构成

任楼煤矿底抽巷掘进施工的基本工艺形式：气腿式凿岩机打炮眼—装药连线和放炮—通风除尘和有害气体—架设临时支架—清理浮石和修帮—喷射混凝土—打拱部锚杆钻孔—安装锚杆和挂网—耙斗装岩机装岩—皮带运输矸石至矸石仓。

2.2 主要工序作业方式

（1）破岩：普遍采用钻眼爆破法破岩，这是目前应用最广泛的破岩方法。作业方式采用YT⁃28气腿式凿岩机人工打眼，它适用于各种类型及不同断面大小的巷道，施工成本低；（2）装岩：采用 P⁃60B 型耙矸机装岩；（3）运输与调车：皮带输机的皮带运送矸石到矸石仓，再用P⁃60B耙矸机装矸石到1t标准矿车，人工推运矿车；（4）支护方式：锚梁网喷。

3 底抽巷快速掘进施工优化分析

3.1 运输形式的配套选择

岩巷施工普遍采用耙矸机装岩、矿车运输的排矸方式。耙矸机卸料槽下方通常一次只能存放1辆矿车，排矸过程中需频繁移动更换矿车，致使装岩无法连续进行，导致工作面有效作业时间缩短，极大地制约了掘进速度。为确保岩巷掘装岩运输的连续性，对出矸系统后配套设备的选型比较如下：

（1）采用耙矸机装岩、JD⁃11.4kW 绞车提绞运输时需要的时间：

式中S为巷道掘进荒断面积，m2；M为炮眼深度，取1.7 m；η 为炮眼利用率，取 0.95；Kp为煤体松散系数，取 1.4；Vk为使用底卸式矿车的容积，取0.8m3；t1为一部绞车一次调车时间，t1＝2L／V（L为一部绞车调车距离，一般取100m，V为绞车提升时平均运行速度，取47m／min，t为一次摘挂钩时间，取1min）；t2为耙矸机装满一车矸石所需要的时间。

（2）采用耙矸机装岩、皮带机运输时需要的时间：

计算两种运输方式所需时间并比较：

从以上计算看出，采用耙矸机装岩、JD⁃11.4kW绞车提绞运输所需时间是耙矸机装岩、皮带机运输方式所用时间的 1.7 倍。

3.2 耙矸机与巷道迎头相对位置关系分析

（1）掘进巷道合理空顶距分析。任楼煤矿Ⅱ7226N底抽巷的直接顶为砂质泥岩，厚度6m以上，直接底为1.8m的细粒砂岩，试验测得直接顶砂质泥岩的单轴抗压强度和抗拉强度为15.68和3.57MPa。根据任楼煤矿实际地质条件提出4种空顶距方案，即6，8，10和12m，空顶两侧向掘进工作面岩壁支撑段和锚杆支护段各延伸2m，即模型长度分别为 8，10，12，14m，模型垂直高度为5m。

采用MathCAD数值计算软件分析，分别得出6、8、10和12m循环进尺空顶距条件下模型各结点的水平应力分量。6m空顶距条件下，水平应力分布如图1所示，横坐标方向为巷道轴向方向，长度为12m，纵坐标方向为泥岩直接顶厚度方向，高度为5m，图中压应力为负值，拉应力为正值。横坐标和纵坐标均以0.5m为单位。

图1 6.0m空顶距沿巷道轴向水平应力分布图

由图1可得水平应力分布规律：在沿直接顶厚度方向，直接顶下部分岩层受拉，上部分岩层受压，往直接顶厚度中部方向，等值线逐渐稀疏，且拉应力沿着直接顶厚度方向越来越小，压应力沿着直接顶厚度方向越来越大。沿巷道轴向方向，应力等值线形态在空顶区上、下边界中部为拱形形态且等值线较为密集，且拉应力和压应力先增大后减小，压应力在沿巷道轴向方向中部的上边界出现极大值。

为了判断顶板是否破坏，取出拉应力最大区域的最大值为0.203MPa，小于砂质泥岩实测抗拉强度3.57 MPa；取出压应力最大区域的最大值为0.254MPa，小于砂质泥岩实测抗拉强度15.68MPa。

采用同样方法计算出8，10，12m空顶距条件下直接顶的最大拉应力和最大压应力，最大压应力与实测抗压强度相比，非常小，均不会发生拉、压破坏。虽然在空顶距12m的情况下顶板并没有出现拉应力破坏，但是由于巷道需要及时支护才能控制巷道变形的发生扩大，因此需要在不同的空顶距下对顶板的变形量进行分析。通过用FLAC3D软件模拟不同空顶距条件下巷道顶板的变形量，得出巷道一次掘进不同进尺时，巷道顶板在巷道中间位置的变形情况如图2所示。

图2 不同进尺下顶板表面变形曲线

从图2可以明显看出不同进尺情况下巷道顶板的变形有着明显的区别，当一次的进尺小于10m时，巷道顶板的最大下沉量为19mm；超过10m时，下沉量迅速增加。当空顶距为12m时，巷道的下沉量为32mm，此时巷道顶板虽然没有被破坏，但是在一般的巷道支护过程中，当锚固区的内顶板间的空隙超过30mm时便被视为离层。因此为了保障巷道的安全施工，空顶距应该小于10m。

（2）耙矸机装岩时间与迎头距离分析。假设：耙斗容积为V0，耙斗每次的装载率为η；单次爆破条件下，迎头进尺为l0，爆破面积为s0，岩石的松散系数为α；首次爆破时耙矸机的工作时间为t0，每次爆破倒货时间为t1，放炮通风时间为t2；并且已知耙矸机的耙斗平均速率为v，耙矸机的机身长为b0，耙斗距离迎头的初始距离为a0，移动耙矸机的时长为T。n次放炮各项作业的有效时间的总时间为t，最优距离为L。

通过计算可得n次放炮各项作业的有效时间的总时间为：

当耙斗距离迎头达到最优距离L时的临界条件为：t＝T。当t＞T时，理论情况下，需要移动耙矸机才能提高效率。

通过五点法作出式（3）的大致曲线图：取L＝15，22，29，36，43，50m，可以求得对应的 t值，其中，取 a0＝8m，b0＝8.5m，l0＝ 1.4m，V0＝ 0.6m3，s0＝ 20m2，η ＝ 0.9，α ＝1.5，t1＝ 30min，t2＝ 20min，v ＝ 1m／s，所以相对应的 t＝518.332，1027.4023，1527.21075，2517.7574，3499.04225，4871.0653min。

随着耙矸机和迎头之间的距离增加，耙矸机装岩的时间相应增加，当耙矸机距离迎头小于30m时，耙矸机装岩时间平稳增长；当耙矸机距离迎头超过30m时，耙矸机装岩时间增加幅度逐渐增大，即装岩效率逐渐下降。

（3）耙矸机和迎头的位置的确定。考虑空顶距与耙矸机装岩因素的影响，为了实现快速掘进，在巷道施工过程中，可以减小工作面作业区所占用的时间，将工作面作业区时间转移到后面两个作业区。因此适当减少工作面作业区的锚喷长度可以有效减少工作面作业区的工作时间。

由以上分析可知：耙矸机距离迎头超过30m时，耙矸机装岩时间增加幅度逐渐增大，即装岩效率逐渐下降；空顶距大于10m时，巷道顶板会出现离层现象，存在安全隐患。同时考虑爆破作业安全距离、瓦斯浓度检测距离等其他因素的影响，确定耙矸机距离迎头20m。该距离既能减少一次支护锚喷长度，减少工作面作业区的工作时间，又能最大限度地减少对工作面爆破的影响，同时不影响耙矸机的装岩效率。

3.3 施工工序的优化

传统的岩巷施工倡导“一次成巷”，按一次成巷要求组织施工工艺。根据巷道围岩变化规律和分步支护机理，采用“工序转移—分区作业分次成巷”新工艺，也称为“初喷＋后巷平行作业分次成巷”施工工艺。

具体做法是：将一次成巷时集中于工作面一个作业区的打眼放炮、锚网支护、喷浆、出矸等全部工序，合理细化分解后，分别转移到前后三个施工作业区，进行平行作业。即工序合理分解转移到如下三个作业区：

（1）工作面作业区：打眼爆破→初喷（30～50mm厚）→拱部锚梁网支护→复喷（20～40mm厚）。迎头放炮后，对迎头帮顶用敲帮问顶后，进行初喷后再做临时支护。用锚杆钻机施工拱部锚杆并挂网进行支护，最后复喷。

（2）耙矸机前作业区：进行倒矸→耙矸→装矸作业。

（3）耙矸机后作业区：帮部喷浆→帮部锚梁网→帮部复喷。前移耙矸机后，对两帮进行喷浆后打锚杆挂网，然后对两帮进行复喷。

工作面只进行拱部锚网支护，并初喷。而将工作面原来的帮部锚网工序、帮部喷射混凝土工序、拱部喷射混凝土工作量转移到耙矸机后施工，这样将原来工作面工作量的30%～35%转移到了后面两个作业区，释放了工作面作业空间，从而增加了30%～35%以上的打眼和爆破时间，增加了放炮循环次数30%以上，提高了工作面的掘进利用率，岩巷施工速度提高了30%以上。

4 结语

（1）采用耙矸机装岩、皮带机运输组成的排矸系统，为工作面装岩、排矸创造有利条件，提高了装载运输效率。考虑到巷道空顶距和耙矸机装岩效率得出底抽巷移耙矸机的最佳距离为20m；（2）“分次成巷”实现排矸与其他工序的平行作业，减少了循环时间，充分发挥了机械化作业线的效能，通过工作面工序的分区作业，底抽巷掘进速度提高了30%。

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中图分类号：TD263

文献标识码：A

文章编号：2096－2339（2017）05－0083－03

作者简介：高怀海（1965－），男，安徽巢湖人，研究生，高级工程师，研究方向：矿井设计与管理。