煤巷懸臂式掘進機快速截割工藝探討

李 杰，豐栗謙，石 巖

（1.山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.潞安職業技術學院，山西 長治 046000）

我國煤巷快速掘進工程主要分為掘進切割、支護和運輸等多個部分，歷經多年發展，相關設備和技術已發展相對成熟，并逐漸形成以懸臂式掘進機為主的巷道掘進運輸支護設備系統和快速掘進工藝。為進一步提高巷道掘進效率，杜啟軍基于林南倉礦井，采用FLAC3D軟件進行2220工作面巷道掘進狀況進行模擬分析，改進掘進策略，提高了巷道掘進速度；周連清結合理論分析和工程實踐的方法，通過優化組織管理、改進掘進設備、優化支護參數，從而提高巷道掘進速度； 張征等人利用PDCA組織管理方法分析了制約巷道快速掘進的內外因素，為石嘴山煤礦2475工作面快速掘進改善提高依據。上述學者主要針對巷道快速掘進工藝的改善做了深入研究，但針對掘進機截割工藝及其影響研究較少，因此本文基于常村礦井實際，針對掘進機多種截割工藝進行分析探討，以選擇適合礦井煤巷掘進的截割工藝。

1 工程背景

常村礦2101W工作面埋深635.5 m，煤層平均厚度6.5 m，煤層近水平分布，工作面采用全部垮落法，2101W工作面相鄰區段工作面已采畢，其采空區垮落穩定。需進行2101W工作面掘進布置，依據礦井應力監測數據，礦井最大主應力為垂直應力，對巷道穩定影響較大。

2 截割工藝

以EBZ160A型懸臂式掘進機為應用實例進行截割工藝分析。煤巷掘進截割工藝主要有 “蛇形”截割、“回形”截割和“螺旋線形”截割三類，其中“蛇形”截割可分為上下起割兩種，“回形”截割可分為順回和逆回截割兩種，見圖1。其中“螺旋線形”截割方式先掘巷形成圓形巷道，最后整形為矩形巷道。

圖1 不同形狀截割路徑

上述三種懸臂式掘進機截割路徑能夠有效減小切割空轉，降低能耗，能夠適應煤巷快速掘進的需要，但不同的截割路徑對同等地質條件下的巷道穩定性影響不同。下面，運用數值模擬方法對不同路徑下的巷道截割工藝進行分析比較。

3 數值模擬分析

數值模擬采用Midas GTS NX軟件，建立X×Y=40 m×50 m的二維平面模型，其中頂板由粉砂巖和泥巖組成，底板由粉砂巖和石英砂巖組成，數值模型見圖2。

圖2 數值模型

模擬主要就垂直應力進行模擬分析，確定三種截割方式成巷頂幫平均垂直應力模擬，見圖3。其中“螺旋線形” 截割路徑先經由螺旋線形截割后再整形為矩形巷道。

圖3 三種截割方式成巷頂幫平均垂直應力模擬

通過對頂幫應力數據提取繪制成表1中的多種截割方式下的巷道平均垂直應力表。

對表1數據分析可知，對比三種截割路徑，“回形” 截割路徑下巷道頂幫所受垂直應力值均大于“蛇形”和“螺旋線形”截割路徑，同時“蛇形”自上而下推進與“螺旋線形”截割方式平均垂直應力值差別不大，同時“螺旋線形”截割方式對操作技術要求較高，不易操作。在上述所有方式中，“蛇形”自下而上推進巷道頂幫所受應力較小，且施工便捷，因此對煤巷掘進較為適用。

表1 不同截割方式下巷道平均垂直應力

4 結語

本文以常村礦為工程背景，對煤巷懸臂式掘進機截割工藝進行了分析探討；結合現場應力條件和施工簡便性，利用數值模擬方法進行了巷道垂直應力分析；巷道受力數據表明，“蛇形”自下而上截割方式更適用于煤巷掘進。