煤巷快速掘進工藝系統的研究

李子長

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045008）

引言

多種因素影響著煤礦巷道的快速掘進，軟巖巷道由于巖層強度低導致提高掘進速度難度大。通過力學理論、強度支護理論、錨桿的預應力和圍巖的相互作用理論可以有效控制巷道的變形，對于地質條件復雜的困難巷道，采用一次性及時支護便可達到控制圍巖變形和破壞的目的[1-3]；礦井可根據自身情況，設計研究成套的掘進設備和支護設備，根據實際測試參數、監測技術等進行掘進系統的優化；優化支護工藝可以有效控制圍巖變形，加快巷道的掘進速度；分析巷道類型及特點，利用強力錨桿支護理論對軟巖巷道以及埋深較深的掘進巷道進行支護，加固了破碎巖體，增強了巷道的承載能力，通過礦業監測數據的反饋和分析，確定了強力錨桿支護理論的優越性。大量實踐表明，在進行強力錨桿支護時，配合注漿加固工藝能更好地控制巷道的變形，提高圍巖的整體性[4-6]。本文從切割工藝入手，分析了不同切割工藝下巷道圍巖的受力特征，為軟巖巷道掘進工藝的選擇提供了依據。

1 快速掘進影響要素研究

巷道掘進施工是多工序多時空的復雜交替施工過程，實現高效安全的掘進，要使各個工序之間必須協調起來且每個工序都能高效率的實施。所以，巷道的快速掘進就是采用合適的掘進設備以及適當的支護方案，在合理的管理下實現各個工序之間流暢、高效率的轉化，從而實現高效率的掘進目標。

在實際的巷道掘進過程中，影響因素多種多樣，主要分為人為因素、設備因素、地質條件以及作業方法四個方面，如圖1所示。

圖1 影響巷道快速掘進的因素

1）在進行掘進時，人為因素至關重要。在施工的過程中，進行人員的管理和責任的分配同等重要。由于工人責任心、專業知識匱乏帶來的負面案例不勝枚舉，在進行機電設備的維護工作中，很多工人對設備的工作原理、性能結構以及故障原因都不熟悉，造成了設備維修時間過長；在掘進的過程中，掘進機師傅對掘進速度以及掘進質量的把控直接影響著掘進效益。為此，提高機電維修工人以及掘進機司機的專業知識可以保障設備的質量，滿足掘進的及時性，通過以人為本的思想提高工人的素質，是快速掘進技術的有力保障。

2）掘進機是巷道掘進的重要設備，掘進機性能的好壞直接影響了掘進的速度。煤礦應該根據巷道巖性等特點選擇合適的掘進機；在支護設備方面，單體錨桿鉆機是重要的巷道支護設備，因為該設備主要依賴人力進行施工，因此作業水平很低，當進行煤巷的掘進時，為了快速保證支護有效，工人往往通過縮小循環進尺的方式進行錨桿作業，最終使得掘進速度降低；此外，掘進零件供應不足、質量差以及惡劣環境下的適應能力低也是影響掘進的重要因素。

3）地質條件的復雜性是影響掘進速度的因素。如果地質條件較為復雜，巖性堅硬，頂底板發育不完全，瓦斯涌出量較大時，巷道的掘進速度就會無限期放慢，掘進后的煤體松散，支護困難；如果地質構造簡單，掘進機掘進速度快，巷道維護時間短。

4）掘進工藝也是影響掘進速度的因素之一。在實際的掘進過程中，掘進效率的低下往往是長時間的體力勞動導致工人的積極性降低所致。采用三班采掘一班檢修的方式可以很好地緩解這一問題；在實際的工作中，臨時支護的時間往往很短，但是因為臨時支護效果差導致后期永久支護困難大，工作面掩護支架技術可以有效避免臨時支護帶來的滯后割煤現象；當巷道埋藏較深時，支護越來越困難，當頂板條件較好時，可采用錨桿錨索支護，當頂板比較破碎時，采用金屬支架支護可以有效避免巷道的變形。

2 截割軌跡的建模與仿真

針對煤巷快速掘進的影響因素，利用FLAC3D數值模擬軟件分析掘進機不同截割軌跡下的截割效果，通過圍巖的穩定性分析間接確定合適的截割軌跡。本文數值模型的尺寸為55 m×45 m×40 m，共99 000個單元體，設置模型的上表面為邊界，側面以及底面為法向移動，上覆巖層的重量通過施加8 MPa的方式進行模擬，測壓系數為1.1，模擬巖層的力學參數如表1所示。

表1 數值模擬巖層力學性能參數

在巷道的掘進過程中，掘進機不同的截割軌跡導致不同的截割效果，掘進機在工作時，掘進斷面一般是按照從左到右、自上而下的動作進行截割作業，當截割軌跡呈現“S”形時稱為“S”形切割軌跡，當截割軌跡呈現螺旋線時稱為螺旋線型切割軌跡。對不同截割軌跡進行數值模擬，按照從上之下，從左到右的規律進行巷道的推進來研究掘進過程中圍巖的穩定性。因此得到了圖2所示的掘進機“S”形切割軌跡下巷道圍巖應力場分布圖和圖3所示的掘進機螺旋線切割軌跡下巷道圍巖應力場分布圖。從圖2中可以看出，在巷道掘進初期，受擾動影響，掘進頭所受垂直應力較大，隨著掘進面的不斷推進，應力值逐漸減小，直至與上覆巖層的重力值相等，處于穩定狀態，巷道兩幫與頂板受力特征不同，兩幫處的垂直應力值一直處于穩定狀態，變化幅度較小。從圖3中可以看出，采用螺旋截割工藝時，初始掘進時期，巷道的垂直應力值較大，隨著掘進面的不斷推進，頂板垂直應力值在一定范圍內減小，當下降到一定值后又重現上升至較高的數值，而巷道兩幫的受力變化范圍大且處于高應力值狀態。

圖2 掘進機“S”形切割軌跡下巷道圍巖應力場分布圖

圖3 掘進機螺旋線切割軌跡下巷道圍巖應力場分布圖

不同截割次數下巷道受力值差別大，為了驗證上述模擬結果，進行了現場應用，現場工業中煤層平均厚度為2.5 m，煤層頂板為細砂巖和中砂巖，直接頂為泥巖，基本頂為細砂巖。得到了如表2的不同截割軌跡下掘進頭以及巷道兩幫的垂直應力表。

表2 不同截割軌跡下掘進頭以及巷道兩幫的垂直應力表

綜上所述，通過“S”形和螺旋線切割軌跡下圍巖的應力值分析得到，“S”形切割下巷道頂板以及兩幫受力穩定，螺旋線軌跡多次切割時，頂板以及兩幫出現了應力值突增的現象，不利于掘進工作進行的同時，對于巷道維護以及工作人員的安全都構成一定程度的威脅，因此，應該選用“S”形切割軌跡進行巷道的掘進。

3 結論

從影響巷道快速掘進因素中的掘進工藝切入，通過數值模擬研究了“S”形切割和螺旋線切割軌跡下巷道頂板以及兩幫的受力特征，得到“S”形切割軌跡下的巷道掘進過程中巷道圍巖更加穩定，便于巷道的快速掘進。