高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用_冒薛清.pdf

802023 年第 2 期高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用冒薛清（陕西陕煤黄陵矿业集团有限责任公司一号煤矿，陕西 延安 727307）摘 要 以黄陵一号矿 1009 辅运顺槽为试验巷道，采用引进先进掘进装备、改善掘进工艺、优化支护方案和瓦斯防治方案的方法，提高掘进效率。通过对巷道围岩及瓦斯情况监测表明，在掘进效率大幅提高的情况下，巷道围岩基本保持稳定，瓦斯涌出量处于安全值内，黄陵一号矿煤巷快速掘进技术的应用取得成功。关键词 快速掘进；巷道支护；瓦斯防治；围岩控制中图分类号 TD263.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.030Research and Application of Rapid Tunneling Technology of Coal Roadway in High Gas MineMao Xueqing(No.1 Coal Mine,Shaanxi Coal Huangling Mining Industry Group Co.,Ltd.,Shaanxi Yanan 727307)Abstract:Taking 1009 auxiliary haulage chute of Huangling No.1 Mine as the test roadway,the method of introducing advanced tunneling equipment,improving tunneling technology,optimizing support scheme and gas prevention scheme is adopted to improve the tunneling efficiency.The monitoring of surrounding rock and gas conditions in the roadway shows that the surrounding rock of the roadway is basically stable and the gas emission is within the safe value under the condition that the tunneling efficiency is greatly improved.The application of rapid tunneling technology in the coal roadway of Huangling No.1 Mine has achieved success.Key words:rapid tunneling;roadway support;gas prevention and control;surrounding rock control收稿日期 2022-06-14作者简介 冒薛清（1987），男，江苏如皋人，2009 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，工程师，就职于陕西陕煤黄陵矿业集团有限责任公司一号煤矿。冒薛清：高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用冒薛清：高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用灾害防治与职业健康黄陵矿业一号煤矿，煤、气共生1，地质条件复杂，属高瓦斯矿井，可采煤层平均厚度 2.18 m2。矿井采煤工作面目前已实现基于三维空间感知3、智能规划和自主截割的 3.0 阶段智能开采4，回采效率高5，但掘进队掘进效率不高，月均进尺仅 400 m 左右，严重制约矿井的接续。为了缓解采掘矛盾，黄陵一号煤矿将 1009 工作面辅运顺槽作为试验巷道，对高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术进行了研究和应用。1 工程概况1.1 试验巷道地质条件1009 辅运顺槽巷所处煤层为 2 号煤层，煤层平均厚度为 2.22 m，结构简单，呈近水平发育。煤层瓦斯含量 1.345.34 m3/t，平均 3.57 m3/t，部分区域瓦斯赋存含量较高，煤层顶底板情况见表 1。1.2 巷道掘进工作面设计顺槽设计长度 2950 m，为矩形断面。断面规格为宽 5.2 m，高 2.8 m，沿煤层顶板掘进。表 1 煤层顶底板情况表顶底板岩石名称厚度/m岩性特征老顶细粒砂岩2.45.74.05细粒砂岩，中部夹有薄层泥岩直接顶粉砂岩、泥岩3.32127.66粉砂岩，中夹薄层中砂岩及砂质泥岩，泥岩为灰黑色，局部含少量粉砂岩，层理不明显底板砂质泥岩2.142.162.15灰黑色，易风化、破碎2 高瓦斯矿井快速掘进关键技术2.1 掘进工作面设备配套主要掘进设备是 EBZ200M 型掘锚机 1 台。同之前的掘进机相比，该机型进行了控制系统升级、管路优化、结构优化以及材料优化等相关升级措施，812023 年第 2 期冒薛清：高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用冒薛清：高瓦斯矿井煤巷快速掘进技术研究与应用单根锚杆的施工效率提高 35%以上，掘锚综合效率提高 20%以上。其余设备见表 2。表 2 掘进工作面设备名称型号数量刮板输送机SGZ620/40T2胶带运输机DSP-1040/8003带式输送机DWZY800/15001跨骑式四臂锚杆钻车MJH-350/5801多功能巷道修复机WPZ-75/3Z1临时支护支架ZJC2800/21/301坑道钻机CMS1-4000/551气动锚杆钻机MQT-130/2.8J3乳化液泵站BRW80/202风动手持式钻机ZQS-502局部通风机FBDYNo-7.1/245kW2防爆装载机ZL20EFB12.2 快速掘进工作面掘进工艺（1）掘锚机作业方式优化。掘锚机由下至上采用横向往复式的方式沿煤层顶板掘进。（2）劳动组织优化。采用“三八”制作业，生产班负责巷道掘进、挂网、锚杆锚索支护，检修班负责检修设备、移动设备列车、延伸运输皮带、布设管路和轨道等辅助工作。（3）循环作业优化。交接班及安全确认割煤（矸）临时支护掘锚机、机载锚杆钻机锚杆（索）支护超前探查下一循环。（4）超前支护优化。采用 ZJC2800/21/30 临时支护装置，基本杜绝了煤巷掘进的空顶作业问题，同时提升了临时支护的支护效率和移动速度。2.3 快速掘进工作面支护方案（1）临时支护采用掘进超前支架。该支护装置为整体框架式结构，配备有液压油缸，可以实现全自动升架、降架、移架等功能。在完成金属网铺设、锚杆支护等必要操作后进行下一次掘进循环。（2）永久支护采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护。顶锚杆为 20 mm2500 mm 螺纹钢锚杆，顶锚杆中间间距 850 mm，两侧两排间距 1000 mm，排距为 1000 mm；锚索梁采用“横向梁+走向梁”的方式，横向梁，一梁三索，采用 T140型钢带，梁长 3600 mm，间排距 1600 mm1000 mm，锚索采用 17.8 mm10 300 mm 防腐钢绞线；纵向梁采用梁四索，距主帮侧 600 mm，锚索梁采用 T140 型钢带，梁长 3400 mm，间排距 1000 mm1000 mm，锚索采用 21.8 mm10 300 mm防腐钢绞线，锚深 10 000 mm。帮部采用锚杆+塑钢网联合支护，主帮为 20 mm2500 mm 玻璃钢锚杆，间排距 1000 mm1000 mm；副帮侧锚杆为 20 mm2500 mm 高强度玻璃钢锚杆，间排距700 mm1000 mm。如图 1 所示。图 1 1009 辅运顺槽支护巷道断面图（mm）2.4 瓦斯防治方案为保证快速掘进工作面瓦斯量在安全值范围内，沿顺槽口掘进方向三岔口向里每隔 60 m 处施工一个瓦斯钻场。如图 2 所示。图 2 1009 运输顺槽瓦斯钻场布置示意（m）在每个钻场内共布置 7 个瓦斯抽采钻孔，包括2个掘前预抽钻孔以及5个本工作面煤层预抽钻孔，所有钻孔沿煤层布置。1009 辅运顺槽钻场钻孔设计参数见表 3。表 3 钻场钻孔参数孔号孔径/mm夹角/（）距底板高度/m仰俯角/（）孔深/m19471.4随煤层倾角调整150294131.4150394201.4220494381.4220594561.4220694741.4220794901.42203 应用效果分析3.1 掘进速度分析2020 年 10 月 1 日，1009 辅运掘进工作面快速822023 年第 2 期掘进技术正式开始实施，至 2020 年 11 月 1 日，完成进尺 565 m，超额完成考核任务。该技术使掘进单进提升到 560 m/月，单进水平提升至少 40%。快掘装备中应用了自移式机尾，将胶带机位拉移由掘进机拖拽拉移优化为人工操作自移，应用了跨骑式四臂锚杆（索）钻车进行支护作业，取代了风动锚杆机人工支护，提高掘进效率的同时，大幅降低了工人劳动强度。3.2 支护效果分析（1）巷道监测方案设计在 1009 辅运顺槽中安装 29 台位移传感器，第一台安装于辅运顺槽起点处，之后每掘进 100 m安装一台。（2）围岩位移监测及分析取快速掘进试验段第一个位移传感器的数据，监测曲线如图 3。图 4 是 1008 辅运顺槽在同位置的位移传感器所记录的数据，1008 辅运顺槽未采用快速掘进技术。图 3 1009 辅运顺槽快速掘进围岩变形情况 图 4 1008 辅运顺槽掘进围岩变形情况根据图 3 和图 4 分析可知：（1）1009 辅运顺槽快速掘进面在距离监测点小于 40 m 范围内，围岩变形随距离变化较为明显。1008 辅运顺槽掘进面在距离监测点小于 60 m 范围内，围岩变形随距离变化较为明显。在大于 40 m、60 m 的距离之后，两顺槽巷道围岩变化程度均有所减弱，且最终基本不再发生变形。（2）1009 辅运顺槽快速掘进面在距离监测点大于 100 m 之后，巷道围岩基本不变形，1008 辅运顺槽掘进面在距离监测点大于 140 m 后，巷道围岩基本不变形。说明快速掘进系统具备良好的巷道支护能力，将掘进工作面的扰动范围缩小了 40 m。（3）1009 辅运顺槽顶底板移近量最大值为 27 mm，两帮移近量最大值为 38 mm，均小于 1008 辅运顺槽掘进过程中的 36 mm、47 mm，且 1009 工作面位移监测曲线更平缓，其围岩变形可控性更强。因此，快速掘进系统能够在快速掘进的同时，保证巷道围岩稳定，能够做到支的快、支的稳、支的牢。3.3 瓦斯情况分析在掘进巷道出口设置瓦斯浓度监测点，监测掘进过程中瓦斯浓度。在快速掘进的 30 d 时间内，采集的瓦斯数据如图 5。图 5 快速掘进 30 d 巷道瓦斯情况在快速掘进过程中，1009 辅运顺槽瓦斯浓度基本保持稳定，符合安全生产的要求。由图5分析可知：（1）随着掘进时间的增加，巷道瓦斯涌出量总体上呈上升趋势，这是因为巷道掘进造成暴露煤体面积变大，瓦斯渗出的面积增大。但是瓦斯涌出上升情况总体可控，这说明瓦斯抽采钻场起到了预抽瓦斯、降低煤层内瓦斯含量的作用。（2）在曲线图中可以看到有一些时间瓦斯浓度突然升高。结合掘进工程实际，这些高点均是掘进瓦斯钻场的日期。开掘瓦斯钻场，布置钻孔，不可避免地造成了部分瓦斯泄漏，瓦斯总量升高。随着抽采设备的安装和其他防治瓦斯方法的实施，瓦斯含量迅速下降。4 结语（1）针对 1009 辅运顺槽的实际条件，通过引进先进的掘进装备，改善掘进工艺，优化支护方案以及瓦斯防治方案，为高瓦斯矿井煤巷快速掘进提（下转第 86 页）862023 年第 2 期供了设备和技术支撑。实践表明，1009 辅运顺槽快速掘进单进提升到 560 m/月，单进水平提升了40%，实现了快速掘进的目标。（2）监测结果表明，在快速掘进过程中，1009 辅运顺槽巷道围岩变形在安全范围内，且要好于之前不采用快速掘进技术的巷道状况。快速掘进过程中顺槽瓦斯涌出保持在安全值范围内，说明快速掘进过程中采取的瓦斯防治方案有效。黄陵一号矿煤巷快速掘进技术的实践应用取得显著效果，在掘进效率大幅提高的情况下，巷道围岩基本保持稳定，瓦斯涌出量处于安全值内。6 结语针对井下工况以及甲烷浓度范围设计了分布式光纤甲烷监测系统，重点对浓度监测的准确性、系统的稳定性和灵敏性