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摘要：为了解决煤矿井下巷道掘进效率低的问题，在对影响巷道掘进的因素进行分析的基础上，提出了一种新的煤矿井下巷道快速掘进体系，并对新的快速探测技术、快速支护方案和巷道掘进工艺等进行了研究。实际应用表明，采用新的快速掘进体系后，井下巷道掘进人员数量减少了18.8％，巷道掘进效率提升了57.1％。
关键词：巷道掘进；快速支护；掘进工艺
0引言
开元矿业公司6603工作面平均埋深为233.7 m，煤层的平均厚度为5.61 m，平均倾角为12.6°,煤层内存在局部夹矸层，平均厚度为0.9 m。工作面的老顶为细砂岩结构，老顶的平均厚度为8.42 m，工作面的直接顶为泥岩结构，平均厚度为0.88m。该工作面巷道截面为矩形结构，宽度为4.8 m，高度为3.2 m，顶板为锚杆+钢筋网联合支护模式，帮部为锚杆+金属网+护帮支护模式。在实际工作中发现，由于探测效率低下、支护效率低下和截割工艺流程繁琐，导致巷道实际掘进效率不足，严重影响了井下巷道掘进效率。
在对6603工作面影响巷道掘进的因素进行分析的基础上，提出了一种新的高速巷道掘进工艺，利用快速探测技术解决了传统探测方案效率低的不足，利用新型快速支护模式解决了现有支护工作量大、速度慢的不足，利用新型巷道掘进流程解决了现有工艺流程繁琐的不足。
1巷道掘进现状分析
为了针对性地解决井下工作面掘进效率低下的不足，项目组对整个巷道掘进流程进行了全面分析，最终确定了影响巷道掘进效率的因素包括以下几个方面[1]：
1）探测效率低。目前，在掘进前对井下巷道状态的探测主要采用钻机钻进探测的方案，虽然精确度较高，但效率极低，极大地限制了掘进效率的提升。
2）巷道支护结构复杂。顶板为锚杆+钢筋网联合支护模式，帮部为锚杆+金属网+护帮支护模式，在掘进过程中每米的平均钻孔深度达到了39.6 m，而且钻孔深度越深，钻进速度就越慢，多重支护模式也造成了整体的支护流程繁琐。
3）掘进工艺复杂。在掘进过程中，掘进机先掘进单个排距，然后退出。锚杆钻机再进行钻孔支护，然后再退出。最后，掘进机再进入迎头掘进单个排距，完成单个作业循环。掘进工艺复杂，而且各个环节之间的配合极易出现问题，影响巷道掘进效率。
通过对影响巷道掘进的因素进行分析，项目组针对性地提出了进行快速探测技术优化、支护方案优化和掘进工艺流程优化，实现对巷道掘进效率的提升。
2快速探测技术分析
为了确保煤矿井下巷道掘进的安全性，在巷道掘进前需要对井下地质情况进行勘探，便于确定风险点，为合理设计掘进方案、支护方案奠定基础。目前，常用的地质勘探方法主要是钻孔勘探法，虽然勘探精确度较高，但探测速度慢、探查范围小，无法满足掘进机快速掘进的需求。在对瞬变电磁勘探、基于掘进机震源的随掘勘探等超前勘探方案进行对比分析后，确认基于掘进机震源的随掘勘方案具有勘探速度快、准确性高的优点，更适合井下随掘随探施工。基于掘进机震源的随掘勘技术原理如图1所示[2]。
由图1可知，基于掘进机震源的随掘勘探工艺能够在掘进施工的过程中进行连续勘探、监测。掘进机的截割机构相当于一个能够连续输出振动波的震源，持续性好。截割机构的截齿和岩层在截割作业过程中会逐渐挤压，使岩层破碎。因此，持续时间较长，所激发的每一次的震波都具有较强的连续性，从而在岩层内形成一个具有连续性的变频探测波。
为了满足对探测波信号的快速分析，系统设置了双重滤波系统，对脉冲信号进行处理，并通过精细化成像技术，实现了对探测范围内地质情况的快速探测和成像。在井下实际应用表明，该超前勘探技术的勘探周期约为64 s，探测精度高，实现了对井下巷道地质情况快速勘探。
3巷道支护结构优化
为了解决现有支护方案复杂、效率低下的不足，在对6603工作面的地质情况进行分析后，提出了分阶段支护的方案[3]。
3.1第一阶段支护
1）巷道顶板支护。采用了单一锚杆支护的方案，每排设置了4个规格为Φ17.8 mm×4 080 mm的柔性锚杆，每个锚杆之间的间距为1 400 mm，锚杆之间的排距为1 000 mm。在柔性锚杆上设置有2个CK2360型树脂药卷和1块规格为0.3 mm×0.3 mm×0.01 mm的托盘。为了提高支护的稳定性，在锚杆之间还设置有钢带加强，锚杆尾部的螺母在拧紧时力矩不低于300 N·m，锚固力不低于200 kN。
2）煤帮支护。同样采用了单一左旋螺纹钢锚杆，每组设置8根规格为Φ20 mm×2 000 mm的锚杆，每个锚杆之间的间距为900 mm，锚杆之间的排距为1 000 mm。在锚杆上设置有1个CK2360型树脂药卷和1块规格为0.15 mm×0.15 mm×0.01 mm的托盘。锚杆尾部的螺母在拧紧时力矩不低于200 N·m，锚固力不低于100 kN。在上帮还设置有金属护网，在下帮设置高分子网，防止碎石的冲击[4]。
井下巷道内第一阶段支护结构如图2所示。
3.2第二阶段支护
在巷道的稳定区域，对其巷道进行第二阶段支护。第二阶段支护的核心是在确保支护区域稳定性的前提下减少支护工作量，从而提高井下支护效率。同时，为了减少井下巷道支护材料的种类，在第二阶段的支护中巷道顶板和巷帮的支护结构均和第一阶段保持一致。
通过第一阶段支护提高了巷道稳定性，故将巷道顶板支护区域的柔性锚杆[5]排距由1 000 mm增加到1 200 mm，巷帮位置锚杆支护的排距也由1 000 mm增加到1 200 mm。金属护网的规格可以根据井下的实际情况调整，护网间的搭接距离不低于100 mm。第二阶段井下巷道支护结构如图3所示。
4巷道掘进工艺流程优化
根据井下地质条件和支护情况，将井下的巷道施工作业也分为第一阶段施工和第二阶段施工两个步骤，各步骤施工要点汇总如下。
4.1第一阶段施工作业
对井下施工工艺流程进行优化，依据“最优化”“最小化”的掘进施工理念，在确保井下巷道掘进效率的前提下，提出了“大循环+小循环”配合作业模式[6]，最大限度地减少迎头工作量，减少人员数量，提高施工效率。
小循环作业。在一个小班作业时完成多个小循环作业，割煤和巷道支护顺序进行，其他的割煤、运煤、铺设顶网同步进行[7]。
在作业时首先控制掘进机完成第一个截割，截割作业的宽度设置为3 200 mm，截割的距离为1 000 mm。截割完成后，掘进机后移，使掘进机的炮头和煤壁齐平。然后，控制掘进机进行第二次截割，此时截割作业的宽度设置为1 600 mm，截割的距离为1 000 mm。截割完成后，掘进机退回1 000 mm，开始进行支护。顶板锚杆先完成1排支护，然后，将帮部锚杆上方的2根支护完成，其他的锚杆要滞后2排进行施工，保证顶部锚杆和帮锚杆的平行作业施工。
巷道掘进机掘进作业路径如图4所示。
4.2第二阶段施工作业
第二阶段的施工作业流程和第一阶段施工作业流程基本相似，支护锚杆距离增加为1 200 mm，在截割作业时的截割距离也变成1 200 mm，其他方面均保持一致。
5应用情况分析
目前，新的煤矿井下巷道快速掘进体系已经在煤矿得到了广泛的应用。对其应用情况进行对比分析，新的支护方案支护效率比优化前提升了32.6％，巷道顶板的最大下沉量为22 mm，比优化前降低了72.4%,巷道两帮的最大下沉量为27.5 mm，比优化前降低了66.8％。
巷道掘进面工作人员数量由最初的16人降低到了目前的13人，数量减少了18.8％，巷道日进尺速度由最初的16.8 m/d，提升了到了26.4 m/d，效率提升了57.1％，极大地提升了煤矿井下巷道掘进效率和安全性。井下巷道变形量情况如图5所示。
6结论
在对煤矿井下情况进行分析后发现，巷道截割自动化程度低、支护结构复杂和施工工艺流程繁琐是影响巷道掘进效率的核心因素。因此，对探测方案、支护方案和掘进工艺流程三个方面进行优化，针对性地解决了掘进效率低、施工工艺流程不合理等问题。实际应用表明，采用新的巷道掘进工艺后，顶板变形量降低了72.4％，两帮下沉量降低了66.8％，巷道掘进效率提升了57.1％。
参考文献
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[2]彭杨皓，张书鹏，张艺源，等.煤矿大断面托顶煤巷道围岩变形破坏机理[J].煤矿安全，2019，50（5）：263-268.
[3]王鹏鹏，王岳，曹正.大埋深托顶煤全锚索支护改革试验技术研究与应用[J].山东煤炭科技，2019（3）：1-2.
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[5]陈川，马振乾，官瑞冲，等.松软煤层托顶煤巷道煤柱宽度优化及控制技术[J].地下空间与工程学报，2020，16（4）：1258-1264.
[6]刘超，孙成磊.复合软煤岩大变形煤巷快速掘进技术研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：51-53.
[7]王飞.1623切眼瓦斯异常区、大坡度托顶煤安全、快速掘进施工工艺优化法[J].当代化工研究，2018（8）：165-167.
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