礦井下高速掘進(jìn)工藝的應(yīng)用研究

李世杰

（陽煤集團(tuán)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(duì)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(jì)效益，因此在市場競爭愈加激烈的情況下，各個(gè)煤炭生產(chǎn)企業(yè)均在進(jìn)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(dòng)化水平的不斷提升，煤礦井下的掘進(jìn)速度成為了限制綜采作業(yè)速度進(jìn)一步提升的重要因素，通過對(duì)現(xiàn)有井下掘進(jìn)工藝的分析，限制掘進(jìn)速度提升的因素主要包括支護(hù)作業(yè)周期長、掘進(jìn)機(jī)截割路徑偏差大、反復(fù)修改巷道截面[1]，因此針對(duì)以上兩個(gè)部分，在對(duì)支護(hù)作業(yè)方案和掘進(jìn)作業(yè)流程進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的高濕掘進(jìn)工藝，其針對(duì)性的對(duì)井下支護(hù)方案和掘進(jìn)截割路徑進(jìn)行優(yōu)化，采用永久支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合的方案，有效的降低了在巷道支護(hù)時(shí)的時(shí)間，同時(shí)提出了“蛇形”截割路徑，能夠有效降低截割作業(yè)時(shí)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(shí)際應(yīng)用表明，該告訴掘進(jìn)工藝能夠顯著提升井下掘進(jìn)作業(yè)的速度，其掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了43%以上，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 臨時(shí)支護(hù)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(jìn)作業(yè)前需要對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，傳統(tǒng)支護(hù)方案均采用了永久支護(hù)方案結(jié)構(gòu)，該方案雖然支護(hù)可靠性好、安全性高，但是也存在著支護(hù)作業(yè)效率低下、成本高的缺陷，因此為了提升井下支護(hù)作業(yè)速度，在長期研究的基礎(chǔ)上提出了一種自移動(dòng)式的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，該支護(hù)設(shè)備和掘進(jìn)機(jī)為分離式布置方式，將臨時(shí)支護(hù)支架設(shè)置到掘進(jìn)機(jī)的上側(cè)，隨著掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行逐級(jí)前移，同時(shí)在掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)后后側(cè)采用鋼網(wǎng)錨索支護(hù)形式，待掘進(jìn)機(jī)前移超過100m后便和采用永久立柱支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)的方式提高掘進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。該臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)相結(jié)合的方式優(yōu)點(diǎn)在于縮短了在掘進(jìn)作業(yè)前需要支護(hù)的巷道距離，同時(shí)能夠在掘進(jìn)作業(yè)過程中不斷進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，支護(hù)時(shí)間比單純采用永久支護(hù)降低了30%，臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 掘進(jìn)工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)的井下掘進(jìn)工藝為“回”字型的掘進(jìn)工藝[3]，進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)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(jìn)行截割作業(yè)，但在應(yīng)用過程中會(huì)存在和截割機(jī)構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)在同一時(shí)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(yùn)行的方案進(jìn)行切割。通過對(duì)井下掘進(jìn)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(hù)—掘進(jìn)作業(yè)—橫向切槽—迂回補(bǔ)切四個(gè)作業(yè)流程，當(dāng)巷道支護(hù)結(jié)束后，掘進(jìn)機(jī)就開始啟動(dòng)進(jìn)行截割作業(yè)，截割時(shí)掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)首先對(duì)截割區(qū)域內(nèi)的浮煤進(jìn)行清掃，清掃完成后掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)就開始進(jìn)行進(jìn)刀，直到截割機(jī)構(gòu)徹底切入到巖層內(nèi)，隨著切割的進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)鏟板上的傳輸機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，將切割下來的物料進(jìn)行傳輸，然后掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)會(huì)在兩側(cè)進(jìn)行小幅度的擺動(dòng)，完成橫向切槽作業(yè)，直到完成一個(gè)截面后，掘進(jìn)機(jī)在對(duì)截割作業(yè)不完全的地方進(jìn)行一個(gè)迂回補(bǔ)切，即可完成在一個(gè)截面上的全部掘進(jìn)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(shí)間比優(yōu)化前降低了13%。

圖2 “蛇形”截割路徑示意圖

3 掘進(jìn)作業(yè)路徑對(duì)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(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的截割路徑對(duì)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(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合的方式后，在臨時(shí)支護(hù)位置的穩(wěn)定性更為敏感，因此需要對(duì)不同截割路徑下額巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，選擇對(duì)巷道穩(wěn)定性影響最小的掘進(jìn)作業(yè)路徑。

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，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(shí)際測(cè)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(duì)截割作業(yè)過程中巷道頂板和幫部的最大位移量進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(jìn)作業(yè)效率，本文提出了一種新的高速掘進(jìn)工藝，該工藝方案采用臨時(shí)支護(hù)的永久支護(hù)相結(jié)合的方案，同時(shí)提出了“蛇形”掘進(jìn)截割路徑，對(duì)不同截割方式下對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)相結(jié)合的方式優(yōu)點(diǎn)在于縮短了在掘進(jìn)作業(yè)前需要支護(hù)的巷道距離，同時(shí)能夠在掘進(jìn)作業(yè)過程中不斷進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，支護(hù)時(shí)間比單純采用永久支護(hù)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(shí)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(shí)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。