礦井下高速掘進工藝的應(yīng)用研究

李世杰

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 壽陽 045400）

對煤炭生產(chǎn)企業(yè)來說，煤礦井下的綜采作業(yè)效率直接決定了企業(yè)經(jīng)濟效益，因此在市場競爭愈加激烈的情況下，各個煤炭生產(chǎn)企業(yè)均在進行技術(shù)革新，提升井下的綜采作業(yè)效率，隨著綜采面自動化水平的不斷提升，煤礦井下的掘進速度成為了限制綜采作業(yè)速度進一步提升的重要因素，通過對現(xiàn)有井下掘進工藝的分析，限制掘進速度提升的因素主要包括支護作業(yè)周期長、掘進機截割路徑偏差大、反復(fù)修改巷道截面[1]，因此針對以上兩個部分，在對支護作業(yè)方案和掘進作業(yè)流程進行全面分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的高濕掘進工藝，其針對性的對井下支護方案和掘進截割路徑進行優(yōu)化，采用永久支護和臨時支護相結(jié)合的方案，有效的降低了在巷道支護時的時間，同時提出了“蛇形”截割路徑，能夠有效降低截割作業(yè)時的截割阻力，提高截割作業(yè)效率和巷道的成形質(zhì)量，根據(jù)實際應(yīng)用表明，該告訴掘進工藝能夠顯著提升井下掘進作業(yè)的速度，其掘進效率比優(yōu)化前提升了43%以上，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 臨時支護方案

煤礦井下為了確保綜采作業(yè)的安全性，在綜采和掘進作業(yè)前需要對巷道進行支護，傳統(tǒng)支護方案均采用了永久支護方案結(jié)構(gòu)，該方案雖然支護可靠性好、安全性高，但是也存在著支護作業(yè)效率低下、成本高的缺陷，因此為了提升井下支護作業(yè)速度，在長期研究的基礎(chǔ)上提出了一種自移動式的臨時支護結(jié)構(gòu)，該支護設(shè)備和掘進機為分離式布置方式，將臨時支護支架設(shè)置到掘進機的上側(cè)，隨著掘進機掘進作業(yè)的進行逐級前移，同時在掘進機兩側(cè)后后側(cè)采用鋼網(wǎng)錨索支護形式，待掘進機前移超過100m后便和采用永久立柱支護進行補充支護的方式提高掘進過程中的穩(wěn)定性。該臨時支護和永久支護相結(jié)合的方式優(yōu)點在于縮短了在掘進作業(yè)前需要支護的巷道距離，同時能夠在掘進作業(yè)過程中不斷進行補充支護，支護時間比單純采用永久支護降低了30%，臨時支護結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 臨時支護結(jié)構(gòu)示意圖

2 掘進工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的井下掘進工藝為“回”字型的掘進工藝[3]，進行掘進作業(yè)時，掘進機的截割機構(gòu)從外側(cè)/內(nèi)側(cè)開始下刀，沿著螺旋狀的截割路徑逐漸向內(nèi)/向外進行截割作業(yè)，但在應(yīng)用過程中會存在和截割機構(gòu)掘進作業(yè)時在同一時刻僅有約1/3的截齒參與截割，作用在截齒上的截割阻力和磨損均較大，為了確保截齒的安全性，通常采用降速運行的方案進行切割。通過對井下掘進作業(yè)方式的分析，提出了一種新的“蛇形”截割作業(yè)方案，該截割作業(yè)方案包括從高到低截割路徑和從低到高的截割路徑，“蛇形”截割路徑結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

“蛇形”截割作業(yè)流程主要包括巷道支護—掘進作業(yè)—橫向切槽—迂回補切四個作業(yè)流程，當(dāng)巷道支護結(jié)束后，掘進機就開始啟動進行截割作業(yè)，截割時掘進機的截割機構(gòu)首先對截割區(qū)域內(nèi)的浮煤進行清掃，清掃完成后掘進機的截割機構(gòu)就開始進行進刀，直到截割機構(gòu)徹底切入到巖層內(nèi)，隨著切割的進行掘進機鏟板上的傳輸機構(gòu)開始運行，將切割下來的物料進行傳輸，然后掘進機的截割機構(gòu)會在兩側(cè)進行小幅度的擺動，完成橫向切槽作業(yè)，直到完成一個截面后，掘進機在對截割作業(yè)不完全的地方進行一個迂回補切，即可完成在一個截面上的全部掘進作業(yè)，由于優(yōu)化了截割作業(yè)方案，截割相同體積的巖層所使用的時間比優(yōu)化前降低了13%。

圖2 “蛇形”截割路徑示意圖

3 掘進作業(yè)路徑對巷道穩(wěn)定性的影響

由于煤礦井下的地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進機在進行掘進作業(yè)時的截割路徑對臨近區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定性具有十分重要的影響[4]，特別是采用臨時支護與永久支護相結(jié)合的方式后，在臨時支護位置的穩(wěn)定性更為敏感，因此需要對不同截割路徑下額巷道穩(wěn)定性進行分析，選擇對巷道穩(wěn)定性影響最小的掘進作業(yè)路徑。

在進行仿真分析時，本文采用了Midas GTS NX有限元模擬分析軟件[5]，建立井下截割區(qū)域模型示意圖，根據(jù)井下實際測量的地質(zhì)情況，設(shè)置巷道頂板材料的彈性模量為19.25 GPa，其泊松比為0.31，設(shè)置煤層的材料的彈性模量為1.25 GPa，其泊松比為0.23，設(shè)置煤層的材料的彈性模量為16.41 GPa，其泊松比為0.17，然后分別采用由高到底的截割作業(yè)方式和由低到高的作業(yè)方式對截割作業(yè)過程中巷道頂板和幫部的最大位移量進行分析，結(jié)果如圖3所示。

由仿真分析結(jié)構(gòu)可知，在不同的截割作業(yè)路徑作用下巷道幫部的變形量均隨著截割作業(yè)次數(shù)的增加而增大，最大變形量均約440 mm。當(dāng)采用由高到低的截割作業(yè)方式時，隨著截割次數(shù)的增加巷道的變形量逐漸加大，最大變形量約為220 mm，而采用由低到高的截割作業(yè)方式時，隨著截割次數(shù)的增加巷道的變形量先增加然后再逐漸降低，最大變形量約為101 mm，比從高到底作業(yè)時的變形量降低了54.1%，由此可知，采用由低到高的截割作業(yè)路徑穩(wěn)定性高于從高到底的截割作業(yè)路徑。

圖3 不同截割作業(yè)方式下巷道結(jié)構(gòu)變化情況

4 結(jié)論

為了提升井下掘進作業(yè)效率，本文提出了一種新的高速掘進工藝，該工藝方案采用臨時支護的永久支護相結(jié)合的方案，同時提出了“蛇形”掘進截割路徑，對不同截割方式下對巷道穩(wěn)定性的影響進行了分析，結(jié)果表明：

1）臨時支護和永久支護相結(jié)合的方式優(yōu)點在于縮短了在掘進作業(yè)前需要支護的巷道距離，同時能夠在掘進作業(yè)過程中不斷進行補充支護，支護時間比單純采用永久支護降低了30%。

2）“蛇形”截割作業(yè)方式截割相同體積的巖層所使用的時間比優(yōu)化前降低了13%。

3）采用由低到高的截割作業(yè)方式，巷道的變形量比從高到底作業(yè)時的變形量降低了54.1%，由此可知，采用由低到高的截割作業(yè)路徑穩(wěn)定性高于從高到底的截割作業(yè)路徑。