刘 辉，王建文，魏庆龙

(1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

长期以来，我国煤矿生产中存在采掘比例失调、接替衔接紧张的问题，严重影响了煤矿的高效生产[1]。许多学者对巷道快速掘进的影响因素、工艺优化等做了大量研究，取得了很多优秀成果[2-10]。朱现磊[11]等运用因子分析法获得了影响金庄煤业大断面煤巷快速掘进的4个因子，并提出了优化对策。范明建[12]对巷道掘进合理空顶距离的确定方法进行了研究与应用。王旭峰等[13]提出了以多向聚能高效破岩为关键技术、以支护参数及作业制度优化为重要保障的快速掘进技术。

提升煤巷掘进速度，实现煤巷高效快速掘进已成为煤矿生产目前急需解决的重要问题[14]，经对柠条塔煤矿的掘进工艺的具体工序用时进行了详细统计，分析了制约巷道快速掘进各环节的因素。对煤巷掘进工艺中存在的支护问题、人员组织问题等进行了优化，以期实现煤巷高效快速掘进，为类似工程提供借鉴。

1 煤巷巷道掘进工艺现状

1.1 工程概况

柠条塔煤矿本次快速掘进试验段为S12002胶、辅运顺槽，该巷道为煤巷，煤层为2-2煤，具有沥青光泽以半亮煤为主，煤层厚度4.0～4.6 m。煤层上覆基岩厚度90～130 m，土层厚度40～100 m。沙层厚度0～10 m，埋藏深度170～220 m，煤层赋存稳定。直接顶为粉砂岩、砂质泥岩，厚度0～13.99 m，老顶为中、细粒砂岩，厚度4.76～23.45 m。S12002胶运顺槽设计掘进4 125 m，辅运顺槽设计掘进4 123 m，横贯设计56个。

柠条塔煤矿S12002工作面巷道布置图如图1所示。

图1 S12002工作面巷道布置图

1.2 原支护方式

胶运顺槽支护：①顶锚—顶板采用锚网索支护，顶锚杆采用6根圆钢锚杆(φ18 mm×2 200 mm)，间排距为1 000 mm×1 000 mm;②单轨吊锚杆—在巷道中线偏煤柱侧1 000 mm处施工单轨吊锚杆，锚杆规格为左旋无纵筋螺纹钢锚杆(φ20 mm×2 200 mm)；③顶网—顶网为φ6.5 mm×140 mm×140 mm钢筋网，紧贴顶板;④锚索—锚索采用1×7-17.8-1860，长7 000 mm的预应力锚索，间距4 000 mm。

辅运顺槽支护：①顶锚—顶板采用锚网支护，顶锚杆采用5根圆钢锚杆(φ18 mm×2 200 mm)，间排距为1 100 mm×1 000 mm，另外在巷道中线的锚杆排间施工锚索；②顶网—顶网为φ6.5 mm×140 mm×140 mm钢筋网，紧贴顶板。

1.3 工艺流程

总体施工工序：S12002工作面胶、辅运顺槽采用连采双巷掘进工艺。连采机割煤、梭车运输、破碎机转载、胶带运输机运煤，两臂锚杆机支护顶板，割煤与支护交替作业。煤巷巷道掘进总体施工工序如图2所示。

图2 总体施工工序

二次拉底：S12002工作面胶、辅运顺槽一次掘进80 m(底板预留500 mm底煤)，在延伸皮带前从正头开始分段后退二次拉底，完成巷道设计断面。二次拉底后一次延长皮带75 m，组织下一段(75 m)的掘进。

2 煤巷掘进速度影响因素

2.1 原工艺工时统计

为提升煤巷掘进速度，对原工艺以割煤8 m，支护8排为一统计单元对胶运巷和辅运巷关键施工工序时长进行统计。由上述工艺流程可知，关键施工工序主要分为3大部分：割运煤、调机、顶板支护。其中顶板支护人工操作环节中：钻眼和放药卷安装锚杆会因工人操作的熟练程度不同而导致耗时不同，故分别统计其最小值和最大值作为熟练和不熟练的操作时间。最后分别计算各个工序的平均用时。各工序用时统计情况见表1、表2。

表1 胶运巷工序时长

表2 辅运巷工序时长

2.2 原工艺问题分析

技术方面：①当前锚杆支护系统虽能控制顶板变形，但是顶板支护锚杆数量多、密度大，施工工艺复杂，需要反复调机支护，无效工作耗时长;②矿井南翼主运输系统煤仓满停运，停运时，连采机也只能停止工作，导致割煤时间延长；③该地质条件下空顶距离研究不够深入，而现在空顶距离较短，增加了设备来回调机的时间；④井下储备配件有限，当设备出现故障时，只能从井上运输，耗时长。

人员组织方面：①施工人员技能水平参差不齐，熟练人员与不熟练人员用时差别大；②交接班停机时间长，对生产班考核时未将割煤和支护分开，导致生产班不为下一个生产班创造条件，早班不生产，浪费大量时间。

3 煤巷快速掘进优化对策

3.1 支护优化

为解决顶板锚杆支护数量多、密度大、支护效率低的问题，需对顶板支护进行优化。根据连续梁理论：通过预应力锚杆在顶板形成足够厚度的锚固岩梁，可缓解变形、消除离层、避免失稳，实现本层内、多层间的双向联动；通过增大梁厚可增强抗弯性能、抵抗采动[15]，其力学简图如图3所示。

a-不连续梁；b-连续梁图3 “连续梁理论”力学简图

胶运顺槽锚杆支护参数优化验算：①每排锚杆数验算。锚杆排距为1.0 m，则每排锚杆数n为

n=L×B×∑(rh)/Rt

(1)

式中：L—巷道设计宽度，取6.0 m；B—锚杆排距，取1.0 m；r—不具备自稳能力岩层的容重，取25 kN/m3；h—不具备自稳能力岩层的厚度，取0.8 m；Rt—锚杆抗破断力，取50 kN。则n=6.0×1.0×25×0.8/50=2.4根/排。

考虑其为1.3倍的安全系数关系，则每排锚杆数为n≥2.4×1.3=3.12，取n=6或4，即每排6根或4根锚杆。

②锚杆长度计算，见式(2)

L≥L1+L2+L3

(2)

式中：L—锚杆长度，m；L1—锚固段长度，取0.95 m；L2—不稳定层厚度之和，取1.5 m；L3—锚固外漏长度，取0.05 m。得L≥2.5 m。

具体优化措施：降低了顶板支护的锚杆的密度并改良了锚杆类型，锚杆支护数量从6根变为4根，锚杆类型从φ18 mm×2 200 mm的圆钢锚杆改良为φ22 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆。改良了锚固方式并增大了锚固长度，锚固方式由端头锚固改良为半长锚固，锚固长度由350 mm增大至950 mm。增大了锚杆排距，锚杆排距逐步从1 m变为1.2 m；统一了顶板网片型号，网片宽度为锚杆间距+300 mm，长度为巷道宽度的1/2+150 mm。

依据工作面设备配套情况，优化支护参数和网片规格，减少顶板支护锚杆数量、密度，简化施工工艺过程，减少锚杆机反复调机次数，可实现掘进装备与断面支护形式最佳耦合。

3.2 其它优化

胶带机提速改造：对南翼2-2煤、3-1煤胶带机进行提速改造，减少南翼主输送系统停机影响，提高开机率。

最大空顶距离调整：依据煤层顶板地质条件、相邻工作面回采期间超前矿压现象和顺槽顶板垮落情况，将最大空顶距离逐步从8 m调整至12 m，提高单循环进尺，减少设备来回调机的时间30%。

顺槽横贯改造：距离工作面正头200 m对顺槽横贯进行改造，设置井下设备配件材料补给站，减少设备故障对掘进的影响。

制度管理：加强人员培训，提高操作技能和协调配合熟练程度；加强区队内部跟班管理，减少交接班停机时间，对掘进的每个环节进行分开核算，提高生产效率和开机率。早班安排一定生产任务，制定区队内会战考核指标，提高生产积极性。

4 快速掘进优化效果分析

4.1 优化后工时统计

工时统计：为分析快速掘进优化效果，对优化后的胶运顺槽和辅运顺槽的工序时长进行了统计，见表3、表4。由于优化前的工序是一次割煤8 m，支护8排，优化后改为一次割煤12 m，支护12排。

对比分析：为方便比较，将优化前后的平均时间统一换算成割煤10 m，支护10排的平均时间，胶运顺槽和辅运顺槽优化前后工序用时对比如图4、5所示。由图可知，在工序优化后，胶运顺槽和辅运顺槽的工序总用时及各个工序的用时都有所降低。其中，胶运顺槽和辅运顺槽的工序总时长分别下降了18.73%和14.41%；顶板支护时间分别下降了26.98%和20.00%。工序用时降低明显。

表3 胶运巷工序时长

表4 辅运巷工序时长

图4 胶运顺槽工序优化前后时长统计

图5 辅运顺槽工序优化前后时长统计

4.2 优化后掘进水平

提升水平：S12002工作面胶、辅运顺槽已经将日单进水平从35 m左右提升到50～60 m，将月单进水平从900 m提升到1 500 m以上，创出了单日75 m新水平，实现了高效快速掘进。

应用效果：目前快速掘进技术已经在柠条塔煤矿3个工作面已经成功实施应用9 500 m，S12002胶辅顺槽和横贯完成2 439 m，S1222胶运顺槽完成1 000 m，S1233胶辅顺槽和横贯完成2 416 m，S1230胶辅顺槽和横贯完成3 645 m。实践表明，应用效果良好，现场成巷效果如图6、7所示。

图6 胶运顺槽成巷效果图

图7 辅运顺槽成巷效果图

5 结论

(1)顶板支护、割煤和调机为煤巷掘进3大主要环节，原支护工艺中3大环节耗时比例为4.89∶4.19∶0.92。在保证支护强度的前提下，减少顶板锚杆的支护数量，改良锚固方式并增大锚固长度和排距，支护效率提高了20%，支护密度降低了30%，极大地降低了顶板支护环节的时间。

(2)高效快速掘进工艺是一项复杂的系统工程，在消除各个制约环节后，将地质条件、支护参数、装备配套、考核机制、劳动组织和人员素质进行了最优搭配，形成了连续均衡高效的掘进体系。

(3)在工艺优化后月单进水平从900 m提升到1 500 m，提升了66.7%，实现了高效快速掘进，可保证接续稳定正常。