煤礦井下智能化高速掘進工藝的應用研究

李廣友

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 壽陽 045400）

隨著煤礦井下單產水平的不斷增加，井下巷道掘進效率越來越成為影響井下綜采效率的核心瓶頸，特別是在大深度、大斷面、地質條件復雜的情況下，需要更加牢固的支護方案、更加平穩的掘進方案，在一定程度上都限制了巷道掘進效率的進一步提升。

本文經過對井下巷道掘進工藝流程的分析，確定了影響巷道井下掘進效率的主要因素是掘進機掘進方案、井下綜掘面各工序配合方式以及井下巷道支護形式，因此針對性的提出了不同地質條件下的截割作業優化方案、多工序并行綜掘作業方案以及錨網索支護+注漿加固方案，顯著提升了煤礦井下巷道的掘進效率，根據實際應用表明，新的巷道掘進方案能夠將下巷道掘進效率提升32.7%，將巷道頂板下沉量降低72.6%，將巷道幫部位移量降低84.4%，為優化井下掘進方案、提升井下巷道掘進安全性和經濟性奠定了基礎，具有極大的應用推廣價值。

1 巷道掘進效率影響因素分析

以陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司（以下簡稱開元）9號煤層地質條件為研究對象，井下巷道煤層的平均厚度為5.2 m，巷道頂板、圍巖多為泥巖、砂質泥巖，巷道凈斷面截面積為18.5 m2，巷道頂板在周期性來壓時會承受較大的壓力，導致巷道頂板下沉、支護錨桿斷裂，井下掘進速度僅4.3 m/d，在巷道掘進過程中頂板的最大下沉量約為142.3 mm，巷道兩幫的最大變形量約為179.5 mm，無法滿足井下支護可靠性的需求。

通過對井下巷道掘進工藝流程的分析，影響巷道掘進效率的因素主要包括以下幾個部分[1]：

1）巷道掘進方案不合理，由于井下地質結構復雜，巷道頂板存在著完整態、頂板破碎態二種狀態，而井下采用掘進機截割作業時均采用了順時針的巷道截割方案，導致在截割頂板破碎態時極易出現塌方，影響井下實際巷道掘進效率。

2）施工工序分布不合理，井下巷道掘進時，需要大量的人員相互配合作業，但由于管理制度落后，導致在井下實際作業時，多種作業工序只能串行，極大地影響了煤礦井下巷道掘進效率和安全性。

3）支護方案不合理，由于井下頂板礦壓波動大，因此對支護安全性要求很高，但由于采用傳統的單錨桿支護方案，導致支護時需要大量的補強支護，而且大量使用錨固劑，凝固速度慢，影響了巷道掘進效率，進而影響到井下巷道的掘進效率。

2 巷道掘進方案優化

由于井下地質條件復雜，巷道頂板處存在著多處破碎區，在傳統掘進方案中，采用掘進機一次掘進成型方式，但由于頂板碎裂嚴重，因此會產生大量的碎石，需要不斷的停機清理，因此導致井下巷道掘進效率低下，因此結合井下實際情況，本文提出了巷道掘進優化方案，采用了短掘短支的方案，根據巷道的實際情況，優化截割路徑。

掘進機選擇了懸臂式掘進機，具有截齒密實、單軸抗壓能力強的特點，在進刀時選擇在煤巖結合處進刀，先截割煤炭再截割巖層，提高截割穩定性，掘進機在不同地質條件下的掘進截割路徑如下頁圖1所示，因地制宜的采用最佳的掘進機截割路徑[2]，能夠有效地提升巷道掘進作業時的穩定性，避免出現大范圍的碎石垮落，縮短了停機清理時間，有效地提升了巷道井下掘進效率和安全性。

圖1 不同地質條件下截割路徑示意圖

3 施工工序優化

傳統施工方案中，在井下綜采面上安裝頂部錨桿和安裝幫部錨桿、掘進設備維護及延長跟機電纜等均是串行作業，雖然能夠一定程度上減少綜掘面同時工作的人員數量，但嚴重制約了井下綜掘作業的進度，因此在對掘進工序及作業流程進行科學分析后對相關工序進行合并，實現了多工序的平行作業，有效的提升了井下巷道掘進進度，優化后的平行作業工序如圖2所示。

圖2 多工序平行作業圖

4 支護方案優化

在傳統的單錨桿支護方案中，錨桿的間距為1000 mm×1000 mm，支護密度大、支護效率低、成本高，因此在對井下巷道結構進行分析后，提出了采用錨網索支護+注漿加固方案，詳細的支護參數如表1所示，同時為了提升巷道支護的穩定性，在錨桿之間采用圓鋼進行焊接，提高在礦壓波動下的穩定性。

表1 錨網索聯合支護參數表

為了提升在頂板破碎區域的支護穩定性，需要在巷道內進行注漿加固，注漿時可以選擇ZBQS-12/10型便攜式注漿泵，注漿材料選用快速速凝材料，注漿時注漿參數如表2所示，為了確保注漿效果，需要采用交錯注漿，注漿完成后利用袋式封孔方式進行快速封孔，保證注漿液能夠快速進入到巖層內[3]。

表2 注漿加固參數表

采用錨網索支護+注漿加固的方案具有支護效果好、可靠性高的優點，有效提升了巷道井下支護的可靠性。

5 應用效果分析

為了對優化后的巷道掘進方案進行驗證，在巷道內采用十字布點的方式[4]對巷道頂板和巷幫進行支護，其優化后的變形量如圖3所示。

圖3 頂板及巷幫變形量

由圖3可知，優化后頂板的最大變形量約為39 mm，比最初的142.3 mm降低了72.6%，優化后巷幫的最大變形量為28 mm，比最初的179.5 mm降低了84.4%，顯著提升了巷道的支護穩定性。在優化后巷道的掘進效率由最初的4.3 m/d，提升到了目前的6.4 m/d，效率提升了32.7%，極大地提升了井下巷道掘進效率。

6 結論

針對煤井下巷道掘進效率低，嚴重影響井下綜采作業效率的不足，在對巷道掘進工藝流程進行分析的基礎上，提出了一種新的井下高速掘進工藝，根據實際驗證表明：

1）巷道掘進方案不合理、施工工序分布不合理，支護方案不合理是影響巷道掘進效率的主要因素。

2）因地制宜的采用最佳的掘進機截割路徑，能夠有效的提升巷道掘進作業時的穩定性，避免出現大范圍的碎石垮落，縮短了停機清理時間，有效的提升了巷道井下掘進效率和安全性。

3）采用錨網索支護+注漿加固的方案具有支護效果好、可靠性高的優點，有效提升了巷道井下支護的可靠性。

4）的巷道掘進方案能夠將下巷道掘進效率提升32.7%，將巷道頂板下沉量降低72.6%，將巷道幫部位移量降低84.4%，為優化井下掘進方案、提升井下巷道掘進安全性和經濟性奠定了基礎。