三元煤業某礦大斷面巷道掘進中切割路徑的優化設計

邵春瑞

（山西三元煤業股份有限公司， 山西 長治 046013）

引言

巷道斷面在掘進過程中，其斷面的形狀是通過掘進機截割頭不停切割而形成的[1]。掘進機懸臂的活動范圍對巷道斷面形狀和大小都有重要影響[2]。截割頭在工作時，表現出點→線→面的過程。截割頭在運動過程中，需要盡可能讓截割頭的運動路徑最短，并且使煤塊能夠更多地落下[3]。已有大量的理論和實踐經驗表明，掘進機截割頭的切割路徑會對采煤過程產生重要的影響，比如會對巷道圍巖的穩定性產生影響等，另外也會影響掘進采煤效率[4-5]。所以，在分析煤礦巷道實際情況的基礎上，對掘進機截割頭的切割路徑進行分析和研究，找到最優的切割路徑，對于保障巷道圍巖穩定性以及提升掘進采煤效率具有重要的實踐意義[6]。

1 工程概況

三元煤業某礦13 號煤層，其煤層厚度范圍為10.32～26.87 m，平均煤層厚度大小為16.84 m，煤層在中西部和西北部區域的煤層厚度相對較薄，朝南部、西部和東部方向厚度均呈現慢慢增加的趨勢，經過勘察發現在東南區域存在風化和剝蝕現象，煤層的可采性系數為1，即全區可采。煤層頂板主要是泥巖，另外還包含有部分砂巖、粉沙巖和砂質泥巖。底板同樣主要是泥巖，部分區域還包含有砂質泥巖和碳質泥巖。擬采用EBZ-260 型掘進機進行掘進，設計的巷道斷面規格尺寸為4.7 m×4.05 m，屬于大斷面巷道。

2 掘進機截割頭常見切割路徑

2.1 “蛇形”切割路徑

如下頁圖1-1 所示為“蛇形”切割路徑。蛇形切割路徑在煤礦巷道掘進過程中有非常廣泛的應用，具體而言，還可以進一步劃分成為由下至上和由上至下兩種模式。以從下至上的方式切割時，截割頭首先從幫部的底部位置開始截割，懸臂在水平方向上進行擺臂運動，在橫向方向上完成掏槽工作，到達另一側巷幫后，在懸臂作用下截割頭向上運動一定的距離，通常移動距離為截割頭直徑大小，再次在橫向方向上移動。通過這樣的方式來回截割完成整個斷面的掘進，截割頭每次向上移動時，具體的移動距離不得超過截割頭直徑大小，具體情況需要視煤巖硬度大小決定，必須要確保截割功率在設備的額定功率以下。

2.2 “回形”切割路徑

如下頁圖1-2 為“回形”切割路徑。“回形”切割工藝路徑同樣應用廣泛，根據其旋轉方向不同，可以將其劃分成為“順回”和“逆回”兩種。以“逆回”的方式進行切割時，截割頭首先運動至左幫下部位置，然后從左至右水平方向移動，截割頭到達右幫位置時，改變方向從上至下直接運動到頂板位置，在懸臂的作用下截割頭在頂板位置又從右幫區域運動到左幫區域，再沿著左幫位置從頂板運動到底板，這樣就形成了一個“回形”循環。經過多次“回形”循環后，完成整個大斷面的截割工作。

2.3 “螺旋形”切割路徑

下頁圖1-3 為“螺旋形”切割路徑。采用“螺旋形”切割路徑時，截割頭首先在整個巷道的中心位置進刀，然后截割頭做螺旋線運動完成整個截割過程。這種截割路徑決定了截割頭需要同時在水平和豎直兩個方向上進行精確控制，這對掘進機的操作人員提出了非常高的要求。采用這種切割路徑形成的斷面為圓形，所以在最后還需要對兩幫和頂底板的局部區域進行修整處理，最終形成想要的矩形斷面。

圖1 三種掘進機截割頭切割路徑示意圖

上述的三種切割路徑在實踐中均有比較多的應用，主要是因為這幾種切割形式截割頭基本上不存在空轉運行的情況，能夠降低掘進機的能源浪費，提升設備的工作效率。為研究上述三種掘進機截割頭切割路徑對三元煤業某礦13 號煤層掘進過程的影響，基于有限元軟件對三種切割路徑進行了模擬分析，旨在確定最合適的切割路徑。

3 掘進機截割頭切割有限元模型的建立

基于Midas GTS NX 有限元軟件來分析不同截割路徑下巷道圍巖的穩定性，在此基礎上確定最優的截割路徑。為盡可能提升模擬分析結果的真實性，將模型的高度和寬度分別設置為50 m 和40 m，巷道尺寸根據設計要求執行，即高度和寬度分別為4.05 m 和4.7 m。網格尺寸會對模型的計算過程和結果產生重要影響，為了提升計算結果的精度并降低整個模型的計算時間，本模型中采用非均勻化網格。在巷道圍巖附近將網格尺寸適當縮小為0.5 m，而在距離巷道圍巖相對較遠的位置，為了加快計算速度，將網格尺寸適當增大，設置為0.7 m，在模型的外圍區域將網格大小設置為1 m。

模型中煤層和圍巖屬性的準確設置同樣非常重要，會影響最終的計算結果。13 號煤層頂板主要是泥巖，另外還包含有部分砂巖、粉沙巖和砂質泥巖。底板主要是泥巖，部分區域還包含有砂質泥巖和碳質泥巖。為了簡化計算過程，假設頂板由泥巖和粉砂巖組成，底板由泥巖構成。相關的物理參數如表1 所示。將表中的各項物理屬性根據要求輸入到模型中參與計算。

4 掘進機切割路徑的優化分析

4.1 不同切割路徑對比分析

4.1.1 “蛇形”切割路徑應力分布情況

如圖2 所示為“蛇形”切割路徑條件下巷道表面應力變化曲線。從圖中可以看出，在第1 次切割時，幫部位置出現了相對較大的應力值，后續切割次序時，應力基本保持平穩，幫部位置的應力平均值為7.964 MPa。而底板應力整體上呈現出逐漸增加的趨勢，變化幅度不是特別大，應力平均值為4.441 MPa。

表1 煤層和圍巖物理屬性

圖2 “蛇形”切割路徑應力變化曲線

4.1.2 “回形”切割路徑應力分布情況

如圖3 所示為“回形”切割路徑條件下巷道表面應力變化曲線。從圖中可以看出，在第1 次切割時，幫部位置同樣出現了相對較大的應力值，在后續各切割次序中，應力值快速降低并保持穩定，幫部位置的應力平均值為9.546 MPa。頂板位置的應力值，除第2 次切割之外，其他各次切割時應力值相差不大，第2 次切割時將近達到了14 MPa，應力平均值為10.037 MPa。

圖3 “回形”切割路徑應力變化曲線

4.1.3 “螺旋形”切割路徑應力分布情況

圖4 “螺旋線”切割路徑應力變化曲線

如下頁圖4 所示為“螺旋形”切割路徑條件下巷道表面應力變化曲線。從圖中可以看出，整個切割過程中，不管是頂部位置還是幫部位置的應力值，均出現了非常明顯的變化，并且變化沒有呈現出明顯的規律。在前面4 次切割中應力值呈現出逐漸降低的趨勢，而第5 次切割反而呈現出增加的趨勢。頂板位置和幫部位置的應力平均值分別為3.455 MPa 和7.861 MPa。

4.2 最優切割路徑的選擇

基于以上分析可以看出，在三種切割路徑中，“回形”切割路徑巷道表面的應力值平均值相對最大，而“螺旋形”切割路徑和“蛇形”切割路徑巷道表面地應力平均值基本相當。所以就這個角度而言，“螺旋形”切割路徑和“蛇形”切割路徑具有更大的優勢。但是“螺旋形”切割路徑在切割過程中，必須對水平方向和豎直方向同時進行精確控制，這對掘進機操作人員提出了較高要求。就這個角度而言，“蛇形”切割路徑較“螺旋形”切割路徑具有更大的優勢。綜合各方面因素，認為“蛇形”切割路徑更適合三元煤業某礦大斷面巷道掘進過程，既可以保證巷道圍巖的穩定性，又便于操作。

5 結論

1）對于大斷面巷道掘進過程而言，掘進機截割頭的截割路徑會對掘進過程產生一定程度的影響，尤其是會影響巷道圍巖的穩定性。

2）基于Midas GTS NX 有限元軟件建立了大斷面巷道圍巖掘進過程模型，研究結果發現，“螺旋形”“蛇形”切割路徑對應的巷道表面應力相對較小，考慮到“蛇形”切割路徑控制過程更加簡單，建議選用該方案作為三元煤業某礦大斷面巷道掘進過程的切割路徑。