摘要：巷道有序掘进是煤矿开采的重要作业程序，是实现采掘接替平衡的关键保障。针对当前某煤矿全年平均单进水平较低，进尺主要受到断层等特殊地质构造影响等问题，本文以21204工作面为研究对象，构建煤矿巷道过断层快速掘进关键技术方案，并从高效快速掘进的新理论、新技术和新工艺进行可行性分析，提出了高效快掘巷道监测与安全保障技术。
关键词：断层；快速掘进；关键技术；可行性研究
0 引言
煤矿开采是一项复杂的系统工程，煤巷快速掘进是保障有序开采的关键所在，目前，煤巷已经基本采用了综合机械化掘进[1]。但井下地质条件复杂，煤巷掘进进尺容易受到地质构造、设备故障、搬家倒面及系统切换、后配套人员等因素的影响，使巷道的掘进和维护更为困难[2]。本文结合中天合创某矿21204工作面主回风巷试验点的实际情况，通过分析评价其地质条件、工艺装备和技术发展等，提出并论证实施过断层快速掘进参考方案的可行性，为煤巷快速掘进提供可靠依据。
1 工程地质概况
某煤矿设计生产能力1300万t/a，采用立井开拓。煤层倾角一般小于2°，井田地质构造简单。根据地质勘探结果揭露，21204工作面回风巷为全煤巷，掘进区段内煤层层位稳定，但厚度变化较大。煤厚约为1.87~3.55m，平均煤厚2.71m。顶板岩性多以粉砂岩、砂质泥岩为主，底板岩性多以砂质泥岩、细砂岩为主，顶、底板条件相对较差。
2 工程试验可行性与可靠性分析
2.1可行性分析
中煤集团某煤矿具有较好的资源开采条件，有丰富的科研组织与实施经验，有良好的职工队伍和管理基础，有高素质的职工队伍和勇于探索的精神，有适合掘锚机应用的巷道掘进条件，在国内同行业中处于领先地位；中煤集团曾获多项国家及省部级奖励，工程技术力量雄厚，适合此次项目的顺利开展。虽然巷道存在煤壁片帮严重、支护参数不合理、设备功能缺陷、部分工艺不能平行作业等问题，但通过分析调研情况和已有的施工经验，得到以下几点结论：
（1）从地质条件方面看，顶板为厚层粉砂岩和泥质砂岩，完整性好，煤质较硬，矿山压力相对较小，支护方案和参数可以进一步优化。
（2）从工艺装备方面看，现有的MB670掘锚机功能方面仍存在一定程度的不足，割、护、支、运各工序的平行作业存在进一步提升的空间。
（3）从技术发展角度看，现代围岩控制技术可以实现巷道掘进的更高、更快、更强，通过装备性能的提升实现更高的预紧，通过技术提升采用单一支护替代组合支护进而提高支护速度，单套锚杆（索）可以形成更高的能效。
综合以上分析，在某煤矿开展过断层快速掘进试验是可行的，但面临以下几个方面的挑战：
（1）巷道埋深619-656m，埋深大，工作面附近未开展地应力测试，垂直应力和水平应力分布特征不清楚，没有形成对巷道快速掘进具有指导性的工程地质力学评估，并且缺乏准确的地质资料，给巷道支护设计带来较大困难；
（2）煤壁片帮严重，底板1.5m以上竖向劈理非常发育，最大片帮深度超过1000mm，巷帮自稳性能很差，成型困难，且帮锚杆钻孔极易塌孔，不具备较长距离滞后支护帮的条件；两帮的煤体会出现较大的应力集中，从而加剧巷道的不稳定性
2.2 可靠性分析
（1）某矿快速掘进的地质要求
①强度中等稳定以上的厚层完整顶板，空顶自稳距离超过5.0m；底板较坚硬，能够承载掘锚机和梭车；
②帮部无大面积片帮、不塌孔，有利于及时快速安装锚杆，或片帮程度可控；
（2）可靠性因素分析
地质因素
a.顶板淋水
在开挖巷道过程中，顶板淋水不大对巷道快速掘进影响不大，若顶板出现大量淋水，会对巷道支护带来巨大影响，造成支护效率低下，影响巷道掘进速度，降低掘进循环率，可靠性仅能保证在6成左右。
b.顶板破碎或构造复杂
遇到顶底板破碎时，必然会加大支护强度和密度，作业工序和时间增加，必然降低掘进速度。因而顶底板破碎使快掘的可靠性仅能保证在5成左右。
3 过断层快速掘进关键技术分析
3.1 大间排距支护设计与技术要求
本方案拟将分步实施，经过各阶段的验证评估完善，最终形成排距1.5m以上的大间排距支护技术体系。
21204主回风巷的巷道断面形状为矩形，掘进断面为:宽×高=5400mm×3200mm，断面积17.28m2。矩形巷道断面便于施工、有利于提高断面利用率，但其肩角与底角位置容易形成局部应力集中，需强调护表。巷道断面尺寸与维护难度成正比。该巷道在掘巷过程中变形的矛盾突出体现在煤帮，而掘巷后的长期稳定性关键在顶板。应从矿山压力、设备运输、通风、施工等方面综合评估，探讨降低断面尺寸的可能性。
（1）第一阶段
本阶段针对某煤矿21204工作面主回风巷支护设计做如下改动：顶板采用大锚杆支护技术，试验100~200m。
（2）第二阶段
本阶段针对第一阶段方案作如下改动：锚杆排距扩大为1.2m，试验100~200m。
相应的顶板钢筋网规格调整为Ф6mm×5400mm×1300mm，帮部非回采侧由菱形金属网调整为格宾网、规格调整为3300mm×1300mm，回采侧支护参数保持不变。
（3）第三阶段
本阶段在第二阶段基础上作如下改动：在三种新型煤帮锚固技术中选择一种煤帮锚固方式，试验100~200m。
（4）第四阶段
本阶段在第三阶段基础上作如下改动：将锚杆排距增大为1.5m，试验100~200m。
相应的顶板钢筋网规格调整为Ф6mm×5400mm×1600mm，煤帮网片规格调整为3300mm×1600mm。
（5）第五阶段
本阶段为熟练固化阶段，在第四阶段的基础上进一步减少循环作业时间，增加生产班的循环次数，将月进尺稳定在1000m/月以上。
3.2 “大-中-小”三循环多工序并行作业
基于“大-中-小”循环施工工艺中“最小化”和“最优化”的理念，在确保掘进巷道迎头安全的情况下，使得迎头工程量最小化、人员组织最优化，考虑到某矿片帮严重，帮部支护问题比较突出，因此某循环作业应采用以下方式：
小循环：一个小班完成数个小循环。割煤、运煤，铺顶网、帮网，打顶部四根锚杆，帮部上方两根锚杆；
中循环：一个圆班完成一个中循环。中循环内完成全部锚杆的安装，清底，延风水管路等；
大循环：两个探水硐室之间为一个大循环，大循环完成此段巷道所有的支护工作。
3.3 小循环工艺过程
掘锚机作业顺序如图2所示，具体如下：
（1）初始状态：如图a，掘锚机初始状态时截割滚筒完全收回且紧贴煤壁，顶锚钻机距煤壁2.4m；
（2）割煤1m：如图b，c，机身不动，截割滚筒割煤1m，同时施工顶帮锚杆；完成割煤后滚筒收回，掘锚机向前移动1m，再次紧贴煤壁；
（3）割煤0.5m：如图d，e，机身不动，截割部伸出0.5m，滚筒割煤0.5m；滚筒收回，掘锚机向前移动0.5m，再次紧贴煤壁；
（4）回到初始状态：如图e，此时顶锚钻机恰好距上次支护位置1.5m，开始下一循环。
图2 掘锚机掘锚顺序示意图
3.4 过断层高效掘进的保障技术
高效掘进的地质保障技术包括巷道地质条件的快速获取、准确识别、科学分类、在线监测，从而实现地质条件快速精细勘探，识别细微地质构造，对围岩地质条件进行科学分类，对矿压变化、断面收敛等情况展开实时在线监测，为巷道快速掘进提供地质保障。
（1）多维地质保障体系
根据矿区煤巷高效快速掘进的需求，提供以下备选的地质安全保障技术：
①大区域范围内快速掘进地质安全保障技术；
②采区、工作面范围内快速掘进地质安全保障技术方案；
（2）条件分类及预测评估
①巷道迎头空顶自稳规律的分析及安全评判技术
针对中煤集团所属矿井的工程条件，采用理论分析、数值模拟等多种研究手段，建立巷道顶板结构安全稳定评价模型，具体分析不同空顶距离下巷道围岩的应力演化及分布特征，揭示不同空顶距离下顶板稳定的时空效应，揭示影响顶板稳定的主控因素，为确定最小循环进尺即最大空顶距离提供理论依据，建立科学合理的巷道稳定性评价体系。
②新型巷道安全分级评价模型
通过对某煤矿巷道围岩稳定性影响因素和巷道基本情况的深入分析,并结合巷道围岩稳定性分类指标的提取原则,选取了以下 12 个指标用来对某矿巷道围岩稳定性进行分类: 矿压烈度，地质异常度，松动圈大小、顶板围岩强度、两帮围岩强度、底板围岩强度、巷道埋深、水的影响、相邻区段采动影响 、最大水平主应力与巷道轴向夹角、巷道宽度、巷道高度，并根据实验分析结果对各因素进行权重分配。
（3）风险保障
锚杆支护是隐蔽性工程，在地质条件发生较大变化、施工不能达到要求时，可能会带来安全风险。根据大量的现场数据和理论分析，煤巷锚杆支护的风险主要存在于下述两个阶段：
①掘进迎头：地质异常、岩性变化、裂隙贯通、淋水泥化等随机因素，可能导致锚固失效。
②长期成巷阶段：局部淋水、锈蚀等长时缓慢破坏造成锚固失效。
4 结论
本文从工程地质保障、支护技术创新、装备性能改善、施工工艺优化等方面进行工程试验可行性分析，建立与快速过断层掘进相适应的新型理论，提出过断层快速掘进关键技术，优化“大-中-小”三循环多工序的平行作业工艺，总结了1000m/月的煤巷高效快速掘进模式，为建立相应的高效快速掘进作业线示范基地和形成引领行业的高效快速掘进技术体系奠定了基础。
参考文献
[1]赵新闻.煤巷过断层带快速掘进技术[J].煤炭与化工,2014,37(10):47-50.
[2]胡宝敏,于东旭,赵新汶.快速掘进综合配套工艺在31108运煤巷的应用[J].山东煤炭科技,2010(06):10-11.
作者：李良 汪学琪
【作者简介】李良，1989年03月，男，汉族，山东泰安人。
2011年毕业于新汶矿业职工大学，采矿工程专业，大专学历，助理工程师职称；现在山东能源新巨龙有限责任公司，从事技术管理工作