高位瓦斯抽放巷快速掘进施工方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种高位瓦斯抽放巷快速掘进施工方法。

背景技术

高位瓦斯抽放巷为岩石巷道的开拓掘进施工，是所有矿井建设、延伸和采区接续工程中不可或缺的环节，当前国内主要矿区都面临着掘进速度难以提升的技术瓶颈，为提高巷道掘进速度，减轻劳动强度，改善作业环境，提高经济效益，煤矿业界一直在探寻科学掘进施工技术与机械化作业方式。

对于高瓦斯矿井，矿井各煤层均为易自燃煤层，煤尘具有爆炸性。因此，矿井设计中对盘区放顶煤工作面采取了本煤层斜钻孔进行采前瓦斯抽采，在工作面回风巷上方布置高位瓦斯抽放巷进行瓦斯抽采，以及在上隅角插管结合采空区埋管进行采后瓦斯抽采的瓦斯综合治理方案，以确保矿井的安全生产。根据这一瓦斯治理方案，在工作面开始回采之前，必须完成高位瓦斯抽放巷的施工和抽采管理的铺设。因此，高位瓦斯抽放巷能否如期建成，成为影响整个矿井采面能否按计划投产的关键。

当前，煤炭开采主要以井工为主，巷道掘进工程量浩大，要完成如此庞大的巷道施工量，就需要妥善解决困扰巷道掘进面临的系列复杂理论与技术难题，确保岩石巷道快速、高效、优质、安全施工。因此，按照“采掘并举，掘进先行”的生产方针，加快岩石巷道施工速度，确保煤炭企业采掘接续正常生产。综上，现有技术存在施工效率低的技术问题。

发明内容

本发明提供一种高位瓦斯抽放巷快速掘进施工方法，解决了现有技术存在施工效率低的技术问题。

本发明提供的基础方案为：高位瓦斯抽放巷快速掘进施工方法，包括：

S1、巷道布位的设计：根据高位瓦斯抽放巷的功能、钻孔柱状图以及高位瓦斯抽放巷支护后的变形特征，确定高位瓦斯抽放巷布置位置；

S2、巷道断面形状的设计：根据高位瓦斯抽放巷掘进过程中地质岩层揭露特征，从受力角度分析并设计巷道断面、掘进宽度与掘进高度；

S3、掘进设备的选型：针对高位瓦斯抽放巷选取岩巷掘进机；

S4、截割参数的设计：根据岩体抗压强度与掘进速度关系曲线确定截割速度，根据截割深度与截割力及截割比能的关系确定截割深度，根据截线距和平均截割力的关系确定截线距，以及硬岩截割块度要求确定截割线。

进一步，在S1中，根据高位瓦斯抽放巷的功能，巷道位于煤层采空区的裂隙带高度范围内，结合钻孔柱状图以及高位瓦斯抽放巷支护后的变形特征，高位瓦斯抽放巷布置在煤层上致密坚硬粉12.6m砂岩层中。

进一步，在S2中，根据高位瓦斯抽放巷掘进过程中地质岩层揭露特征，包括顶板软层、软煤层、底板软层地层特征，设计高位瓦斯抽放巷布位砂岩层理、节理发育，RQD值为40％，从受力角度分析，巷道断面采用直墙半圆拱形断面，掘进宽度为4100mm，掘进高度为3450mm。

进一步，在S3中，针对高位瓦斯抽放巷采用六齿星轮出矸的岩巷掘进机。

进一步，还包括S5，支护材料的选择：高位瓦斯抽放巷采用螺纹钢锚杆和金属网，锚杆采用玻璃钢树脂锚杆，网片采用矿用阻燃塑钢网。

进一步，在S5中，锚杆采用φ24×2200mm。

进一步，还包括S6，支护参数的设计：根据锚杆间排距和空顶距下围岩的变形、应力、破坏范围分布、演化特征及锚杆受力特征设计支护参数。

进一步，在S6中，横断面内布置7根锚杆，锚杆排距为1.0m，最大空顶距3m。

本发明的工作原理及优点在于：在本方案中，可以根据岩体基本物理参数测试及岩石强度衰减规律研究，通过现场采集岩样，在实验室进行岩石物理力学指标试验，获得高位瓦斯抽放巷所处围岩的基本力学特性，为支护形式、支护结构提供基础数据，并以试验获取岩体力学参数为依据，研究掘进机破岩功效，以设备与岩性匹配为重点，研究截齿破岩机制与岩性、破岩效果、能量消耗、截割速率间的潜在关联性，确定合理的截割深度、截线间距、截割速度，进行截线优化，提高截割效率；与此同时，可以研究岩体开挖卸荷后应力释放及变形演化特征，试验分析不同掘支组合下巷道稳定性特征，确定作业环境下最大控顶距，充分利用临时支护，对施工工艺及劳动组织进行优化，提高单班作业循环效率，从而提高高位瓦斯抽放巷快速掘进施工效率。

附图说明

图1为1012007工作面高位瓦斯抽放巷位的位置示意图。

图2为K13-7钻孔柱状图及1012007高位瓦斯抽放巷布位图。

图3为掘进进刀及截割线路径对比图。

图4为临时支护示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例1

本实施例的工程概况如下：1012007高位瓦斯抽放巷设计长度2623.5m，巷道为直墙半圆拱形，宽4.1m×高3.45m,巷道断面积12.67m2，服务年限2.5年，开口点位于2煤煤层中，逐渐掘进至2煤层顶板。如附图1所示，1012007工作面高位瓦斯抽放巷位于101盘区南部，西部为101盘区边界，北部毗邻1012007回采工作面煤壁，东部为101盘区大巷，南部为101盘区边界，井下标高+488m～+624m。1012007高位瓦斯抽放巷水文地质情况，岩石含水层含水性较弱，巷道掘进期间涌水量不大，掘进期间主要水源为生产用水以及少量煤层裂隙水，最大涌水量为20m3/h。

S1.巷道布位及断面确定

根据上三带开采理论，裂隙带最大高度与累计采厚呈分式函数关系，其经验表达式如下：

式中，H—裂隙带最大高度(m)；M—单一煤层采厚或厚煤层分层开采的累计采厚(m)；b，c—与覆岩性质有关的系数。对于坚硬岩层，b＝0.009～0.014，c＝0.018～0.028；对于中硬岩层，b＝0.014～0.024，c＝0.028～0.048；对于软岩层，b＝0.024～0.034，c＝0.048～0.068。

如附图2所示，根据K13-7钻孔柱状图，2号煤层厚度3.07m，该区为三软地层，上覆岩层参数按软岩层取值，则裂隙带高度为18～25m，高位瓦斯抽放巷主要为抽采瓦斯，因此应当布置在裂隙带范围内。对于2号煤顶板，泥岩2.03m+细粒砂岩6.72m+泥岩4.28m+粉砂岩12.60m＝25.63m。经现场原位钻孔窥视，该区顶板松动圈范围为1.7m，粉砂岩累厚25.63m-掘进高度3.45m-松动圈厚度1.7m＝20.48m，按照锚杆锚固长度0.5m估算，高位瓦斯抽放巷正巷底板应当布置在2号煤层顶板以上20m厚度下，如图2进行布位，高位瓦斯抽放巷正线掘进坡度顺从煤层坡度调整。

1012007工作面高位瓦斯抽放巷设计开口点位于101盘区辅助运输巷内，开口点坐标为X＝3860202.404,Y＝36457081.042，Z＝+624.046m。巷道前100m，设计坡度为+5‰上坡，100m～259.337m巷道坡度为7°24′上坡，259.337m～2594.5m段巷道坡度根据煤层赋存适时调整，具体可参见表1。

表1巷道掘进坡度及明细表

S2.掘进方案选择应用

S21、掘进设备选型

针对1012001高位瓦斯抽放巷计划租用建设单位的LH1500型岩巷掘进机，根据该机功效及其使用性能分析，该设备能够适应本区岩层的掘进需求，但考虑到进口设备检修及配件购置的时间需求，结合项目部已购置岩巷掘进机情况，在合同工期紧张的现状下，综合考虑岩石硬度系数及巷道作业空间尺寸，采用六齿星轮出矸的EBZ200H型岩巷掘进机。EBZ200H与LH1500大部分参数相近，截割性能与园子沟地层岩性匹配，双六齿星轮比LH1500更有利于提高矸石装载速度。国产设备在维修和易耗构件的采购等方面具有优势，可减少由维修造成的工期延误。

EBZ200H型硬岩掘进机主要由截割部、铲板部、本体部、行走部、第一运输部、电气系统、液压系统、水系统、润滑系统、后支撑构成，主要技术指标如表2所示。

表2.EBZ200H主要技术参数

S22、掘进施工方案运用

采用EBZ200H型全硬岩掘进机按巷道断面设计一次切割成巷的方法，采用矿用隔爆型激光指向仪定向。掘进机自行进刀落矸、出矸，进刀深度以500mm为宜，待截割完毕且打完锚杆后，再进行下一个循环，往复运行。截割线通过试验采用两条截割路径进行试验比对如图3所示，最终采用方案一较合理。

掘进机每次进刀落矸500mm，循环进度为2000mm。掘进机每完成一个循环进度时停止掘进，工作面开始进行支护，坚持正规循环作业，每班下班前永久支护距工作面不大于200mm。

生产工艺流程如下：交接班→开工前安全、质量、设备检查(敲帮问顶、瓦斯、工程质量、传感器、设备等检查)→开机前准备→截割(出煤矸)→中间安全检查→支护→延伸胶带→下一个循环→清理现场和检查验收。

S23、支护方案

掘进支护施工步骤及方法如下：全断面割岩够一个循环后退机→敲帮问顶→挂网→进行临时支护→打锚杆支护至迎头→连网。

1、临时支护

如附图4所示，1012007工作面高位瓦斯抽放巷采用一次成巷施工，循环进尺为2000mm，最大控顶距不超过2200mm；临时支护具体参数如下：单体液压支柱型号为DW28-30/100B型。

随巷道掘进，每掘进完一个循环，敲帮问顶后进行挂网连网，然后进行临时支护，采用3-5根DW28-30/100B型单体液压支柱配备2000mm×200mm×50mm的木板作为临时支护，采用一梁两柱方式支设临时支护，在工作面未支护区域形成全断面的临时支护护住顶板，阻止活矸危岩直接坠落，同时为支护人员提供必要的保护和逃离时间。

2、永久支护

(1)横断面内布置9根锚杆时，巷道顶板沉降、两帮收敛、底板隆起量分别为53.79mm、12.26mm和10.67mm，均在允许范围之内，顶板、两帮最大破深度为0.5m，有效保证锚杆作用的发挥，拱顶锚杆最大轴力为7.85t，仅占到其破断荷载的46.3％，具有足够的安全系数，在保证0.8mm排距不变的情况下，可以将现用的9根锚杆减少到7根锚杆。

(2)横断面内布置7根锚杆、锚杆排距为1.0m时，巷道顶板沉降、两帮收敛、底板隆起量分别为68.55mm、19.45mm和13.90mm，均在允许范围之内，顶板、两帮最大破坏深度为0.5m，有效保证锚杆作用的发挥，拱顶锚杆最大轴力为10.99t，距破断荷载仍然剩余5.97t的储备荷载，故可以将现用的9根锚杆、排距0.8m减少到7根锚杆、排距1.0m。

(3)当空顶距小于等于3m时，空顶区顶板最大破坏深度为0.63m，空顶区顶板最大沉降量为28.90mm，稳定区顶板最大沉降量为68.55mm，空顶区最近顶板锚杆轴力为11.61t，上述量值均在合理的区间之内，当空顶距超过3m后，空顶区顶板变形、破坏及锚杆受力都快速上升，实际施工时，可将空顶距控制在3m以内。

方案参数如下：锚杆采用玻璃钢树脂锚杆，锚杆规格为φ24×2200mm(抗拉强度≥600Mpa，抗剪强度≥100Mpa，扭矩≥80NM)，树脂托盘规格为φ140×10mm(承载力≥90KN)，锚杆间排距1000×1000mm。锚杆外露长度从螺母算起不大于50mm，每根锚杆配两个K2360树脂药卷加长锚固，拉拔力不小于125KN，螺母扭力矩大于100Nm。网片采用矿用阻燃塑钢网，网孔规格50×50mm，单根破断力不小于4KN。网片搭接长度为100mm，采用14#铁丝绑扎，绑扎间距为100mm。临时支护到工作面的最大距离为0.3m；锚杆到工作面的最大距离为0.7m。

S24、装载及运输方案运用

矸石装运基本要求如下：

巷道掘进断面12.67m2，每日三班总进尺10m，如表3所示，每日出矸量126.7m3，EBZ200H掘进机铲板部装载能力4.3m

表3劳动组织安排

按掘进机双六齿星轮装载能力计算，每循环出矸量为12.67×2.0＝25.34m

S25、降尘方案实施

1、供水保障

供水管路由地面水池经主井送至工作面，分别用4寸、2寸铁管和1寸胶管接至工作面，工作面每50m设三通一个。供水管路敷设在巷道北帮，管道下端距离巷道底板不小于0.8m。供水路线：地面高位水池→主立井→井底车场→西翼辅运大巷→101盘区辅运巷→异径三通(带截止阀)→1012007工作面高位瓦斯抽放巷DN50供水管道(每隔50m设一个三通阀门，并装有不少于30m的洒水防尘软管)→工作面。

2、工作面降尘

综掘机正常掘进时必须有可靠的静压供水系统送到巷口，满足掘进时用水，水质要求清洁。工作面设三道喷雾：第一道为综掘机内外喷雾，用水和压风作喷雾介质；第二道距离迎头50m范围内设置风流净化水幕；第三道为回风喷雾，安装在回风流与全风压风流汇合处50m范围内，为一常开水幕；第二、三道防尘喷雾喷头应能覆盖巷道全断面，喷头迎向回风流方向呈45°安设。切割前用高压水湿润迎头，保证迎头岩体湿润，从源头上有效控制矸尘；机组切割时必须使用内外喷雾装置，保证雾化效果良好，能覆盖截齿，同时使用好工作面水幕和各转载点喷雾洒水装置。巷道要保持湿润，走路时煤岩粉尘不飞扬，工作面迎头20m范围每班至少洒水消尘一次，迎头20m消尘工作由施工队负责。工作面迎头100m以外的巷道每周洒水消尘一次，由通风队负责。巷道内的粉尘厚度不超过2mm，堆积连续长度不超过5m。为防止煤岩尘飞扬，巷内风流速度控制在0.25～4m/s之间。工作面所有电机、配电点等发热体必须每天进行一次消尘，根据设备责任区队划别分别负责消尘工作。

S27、矿压监测

巷道掘进期间矿压观测包括常规观测和动力显现观测。

1、矿压观测

(1)巷道表面位移测试：通过在巷道的两帮及顶底板布置固定的测点，测定巷道的两帮内挤量、顶板下沉量、底臌量、顶底板移近量等参数。表面位移测试，是在各类巷道中均可布置测点，测试时可采用位移计进行各种观测量的测试，其精确度可达到0.1mm。在试验巷道中，共设2个测试断面；在巷道不稳定期间，每天测试一次，当巷道趋于稳定后，可适当延长测试的时间间隔。

(2)巷道内部位移测试：通过在巷道围岩的内部(1～5m左右)设定固定点，测定固定点与巷道表面的相对位移，评价巷道围岩的松动和整体移动情况，并与巷道表面位移情况进行对比分析，有助巷道局部和整体稳定性的评价。内部位移测试主要用于各类巷道的两帮变形观测中。巷道内部位移测试采用多点位移计，其精确度可达1.0mm。在试验巷道中，布置2个测试断面；每个断面设置2个测孔，测孔深度为4.2m，分别在孔深4.0m、3.0m、2.0m和1.0m设固定点。其测试要求与(1)基本相同。

(3)锚固区内外顶板离层观测：采用顶板离层观测仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值，设2点(锚固区内外各一点)。

(4)锚杆锚固力动态监测：锚杆测力计是测定锚杆受力变化的仪器，通过测量液压枕油压确定锚杆尾部承受的载荷，以便对锚杆支护质量进行监控。将液压枕置于锚杆托板与垫板之间，锚杆受力挤压托板并传递到液压枕上，引起液压枕内油压增加，压力表读出压力值。根据仪表的标定曲线即可换算得到锚杆尾部承受的拉力。距掘进工作面100m以内每天观测一次，100m以外每周一次；距回采工作面100m以内，每天观测一次；其他情况不少于每周观测一次。

(5)锚杆锚固力拉拔监测：对锚杆锚固力按照规范要求，定期抽查检测，发现不符合设计锚固力的锚杆立即采取措施。每100根或100根以下随机抽样3根锚杆，每组抽样3根(顶板一根，两帮各一根)用锚杆拉力计拉拔加载。选取的三根锚杆不得分布在同一行或同一排。

2、动力显现观测

由于本矿井有冲击地压倾向性，在施工期间要充分利用矿上以装备的地面应力监测系统和微震监测系统进行实时监控。每天对掘进工作面监测范围内利用微震监测、在线应力、钻屑法等检测冲击危险性，根据相关指标值，进行冲击危险性分析。工作面掘进期间也要进行动力显现情况记录，内容包括：煤炮声响大小、频次、形式(闷响声还是清脆声)；是否出现煤岩飞溅；是否有气浪；震动感程度；是否掉煤渣或扬尘；围岩突然变形情况，顶板压力显现情况等。

S28、特殊情况应对

1、通过对测点观测，发现顶板变化量一次测量值超过50mm，或者累计变化量超过150mm，或测力表读数显著变化必须制定方案进行支护加固。

2、发现底板变化量一次超过100mm或累计变化量超过200mm或压力表读数显著变化，必须立即停止掘进，制定措施进行处理。

3、地面监测到应力突变或较大能量微震事件时，立即停止掘进，根据应力演化和事件参量特征暂停或降低施工速度，待应力及微震监测正常后恢复掘进速度。

4、当发现工作面、回风风流中甲烷浓度超过1.0％或二氧化碳浓度超过1.5％时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。

本实施例的应用效果如下：

1.经济效益

(1)间接效益：月进尺完成226.8m，平均每循环进尺1.62m。与原来掘进水平相比，月进尺(原平均134.66m)提高了67.83％，按28个有效工作日计算，平均每日日进尺(原平均6.12m)提高了31.89％，平均每循环进尺(原平均0.87m，一掘一支)提高了86.21％(两掘一支)。101盘区高位瓦斯抽放巷长度为2623m，按原工艺需要19个月作业时间，按新工艺只需要11个月作业时间，提高了工作效率，减少了工序时长，提升了单产单进能力，缓解了紧张工期，推进了生产作业进度，大大提高了矿井生产能力，间接产生经济效益巨大，直接节约人工费用1万元·人/月×40人/队×8个月＝320万元。

(2)直接效益：选用比德克截齿，优化截割深度和速度，截齿用量从原来的每个正循环作业需要更换约50-70个下降为20-28个，减少了消耗，提升了使用效率。每掘进1000m巷道，可以少安装4250根锚杆，占到原锚杆用量的37.77％，少打钻孔累积深度6250m，占到原钻孔累积深度的30.86％。掘进工期缩短，也减少了工人工资等劳务支出，直接节约11150根锚杆×147元/根÷10000＝163.9万元。安全性提高，减少了因生产事故造成人员伤亡的医疗、赔偿等方面的经济支出。

(3)固定资产成本：机械化作业线中设备配置属一次性投入，初期投入金额虽多，但可长期在多条巷道中连续使用，平均成本相对较低。

2.社会效益

(1)形成了适用性强、科学可靠的高位瓦斯抽放巷道支护技术体系；形成了“巷道层位选择、配套生产系统优化、断面支护参数及施工工艺优化、施工方案优化”四位一体的快速掘进关键技术体系；解决了“三软”条件下高应力场中小断面岩巷机械化快速掘进关键技术难题。

(2)确保了矿井采掘生产正常接续；减少了矸石大块率，降低了工人劳动强度；实现机械化作业，安全系数高；设计除尘方案，改善了工作面作业环境。

(3)快速掘进的技术，如果应用在以下条件矿区具有较高的推广价值。①地质条件：顶板淋水量不大、非断层区；②岩体条件：Ⅲ—Ⅳ类围岩；③巷道类型：临时巷道，直墙半圆拱形断面；④应力环境：水平应力为主，无应力叠加；⑤顶板条件：空顶自稳距离满足设备要求。

在本实施例中，岩巷综掘机械化作业线施工人员少，劳动强度低，而且施工均衡、连续，在截割、出矸、支护三个环节均比原工艺节省时间，正循环率高。与原掘进水平对比，月进尺(原平均134.66m)提高了67.83％，按28个有效工作日计算，平均每日日进尺(原平均6.12m)提高了31.89％，平均每循环进尺(原平均0.87m，一掘一支)提高了86.21％(两掘一支)。掘进巷道未发生冲击地压(岩爆)、冒顶等生产事故，未发生因微震或应力监测报警停掘事件，两帮最大收敛量370mm，顶板最大下沉量146mm，无底鼓现象。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。