煤礦井下高速掘進技術的應用研究

苗亞楠

(山西晉煤集團澤州天安葦町煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

引 言

煤炭作為我國工業化發展的能源保障，在國民經濟發展中占據著核心地位，煤炭在開采過程中需要進行大量的支護和掘進作業，特別是隨著綜采作業深度的不斷增加，井下地質條件愈加復雜，巷道圍巖不穩定性加劇，目前均是通過加大頂錨桿的支護密度來增加巷道支護穩定性，但支護密度的增加不僅導致支護效率降低，而且還會導致支護成本的上升。在傳統的掘進機掘進作業過程中首先是是進行巷道切割，然后再逐次進行擴孔作業，巷道成型效率低，質量差，在掘進作業過程中多數工作采用了串行作業方式，一定程度上也影響了井下巷道掘進作業效率[1]。針對目前井下掘進作業所暴露出來的影響巷道掘進效率的因素，本文利用FLAC3D模擬分析軟件對巷道頂板支護方案進行了模擬分析，確定了最佳的頂板錨桿排距，降低了井下支護作業工作量，將支護時間降低了17%。根據掘進機截割作業需求，提出了“自下往上”的“S”型截割路徑，有效改善了目前巷道掘進時需要反復截割修正的掘進作業方式，同時通過多掘進作業工序的調整，實現了多工序并行作業，根據實際應用表明該快速掘進技術方案實現了將井下掘進效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道掘進的效率和穩定性。

1 頂板錨桿排距優化

在煤礦井下巷道掘進作業過程中，巷道頂板支護時錨桿的支護排距對確保巷道圍巖安全和掘進效率具有十分重要的意義，過密的錨桿排距雖然有利于提升圍巖穩定性，但也會顯著的增加支護成本、降低支護效率，因此要提升井下掘進效率，首先要對支護體系進行優化，在確保支護安全的情況下，降低支護成本，提高支護效率。

FLAC3D模擬分析軟件，是一種三維受力模擬分析軟件，能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。以煤礦井下典型掘進巷道結構為基礎，其巷道斷面呈矩形，寬約6 200 mm，高約7 900 mm，巷道頂板為砂質泥巖層，遇水容易膨脹，容易發生頂板垮塌事故，整體圍巖結構穩定性差，支護時頂板錨桿的排距為800 mm，間距極為密集，支護效率較低。利用FLAC3D模擬分析軟件[2]對頂板排距為800 mm、1 000 mm、1 200 mm情況下的支護穩定性進行分析，進而確定最佳支排距，不同錨距情況下的受力情況，如第139頁圖1所示。

由圖1a)～c)可知，當錨間距為800 mm的情況下，當出現礦壓波動時，支護系統的最大應力為38.63 MPa，當錨間距為1 000 mm的情況下，當出現礦壓波動時，支護系統的最大應力為53.90 MPa，當錨間距為1 200 mm的情況下，當出現礦壓波動時，支護系統的最大應力為62.35 MPa，由此可知，隨著錨間距的增大，支護系統在礦壓波動下的受力越來越大，不穩定性越來越高，當錨桿間距超過1 000 mm時，礦壓波動下的應力變化較小。由圖1d)可知，隨著錨間距的增加頂板下沉量和兩幫移近量均逐漸增大，當超過1 000 mm后變形量迅速增加。由此分析可知，當錨間距設置為1 000 mm時就有最佳的綜合支護效果。根據在煤礦井下的實際應用可知，優化錨間距后，相同支護條件下的支護時間降低了17%，顯著提升了煤礦井下的支護效率和安全性。

圖1 不同錨間距情況下的應力及巷道變形量

2 掘進機進刀方式及作業流程優化

傳統掘進機在截割作業過程中，掘進機一般先對巷道截割出一個大概的輪廓，然后再根據井下的實際情況不斷的修正，直到滿足巷道輪廓質量要求，在操作過程中存在著較大的隨機性，而且反復的修型也嚴重影響了巷道掘進效率，因此根據掘進機的截割特性，提出了一種新的“S”型截割路徑[3]，掘進機截割時先從巷道的下側開始截割作業，然后逐次向上，最后進行擴幫，實現了巷道掘進的一次成型，新的掘進機一次成型截割路徑，如圖2所示。

圖2 “S”型一次截割成型路徑示意圖

在傳統掘進方案中，井下巷道的支護及掘進作業為串行作業方式，巷道完全支護完成后才進行掘進作業，掘進支護分離作業，導致掘進機開機率低，對井下掘進作業速度影響較大，因此本文提出了井下平行作業模式，在確保掘進安全的情況下提升掘進效率。通過對掘進支護作業流程分析，最終提出了采用滯后迎頭一段距離后弱化支護技術。在支護過程中，首先穩定性最差的頂板和頂角處設置錨桿，然后將頂板錨桿在離巷道迎頭約30 m處進行滯后安裝，該安裝是在掘進機后面完成的，不影響掘進機的正常掘進作業，實現了掘進支護的同時進行，提升了掘進機的開機率，同時實現了將安裝錨桿、延長電纜、維護掘進機等的同時平行作業[4]，作業示意圖如圖3所示。根據實際應用表明采用巷道截割方式優化及平行作業后，將井下掘進效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道的掘進效率和質量。

圖3 多工序平行作業示意圖

3 結語

針對圍巖穩定性差的缺陷，嚴重限制了煤礦井下巷道掘進效率提升的難題。對煤礦井下高速掘進技術進行了分析，采用仿真分析的方法確定了最佳頂錨桿支護排距，同時通過優化掘進機截割路徑、實行多工序平行作業等綜合手段實現了對井下掘進作業效率的有效提升，根據實際應用表明：

1) 當錨間距設置為1 000 mm時就有最佳的綜合支護效果。根據在煤礦井下的實際應用可知，優化錨間距后，相同支護條件下的支護時間降低了17%，顯著提升了煤礦井下的支護效率和安全性。

2) 新的“S”型截割路徑情況下，掘進機截割時先從巷道的下側開始截割作業，然后逐次向上，最后進行擴幫，實現了巷道掘進的一次成型，能夠顯著提升巷道成型質量和效率；

3) 采用巷道截割方式優化及平行作業后，能夠將井下掘進效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道的掘進效率和質量。