煤巷快速掘進工藝及臨時支護工藝的改進

張記華

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司店坪煤礦調度室， 山西 方山 033100）

引言

煤礦生產包括掘進和回采兩個階段的工藝，掘進效率和巷道的成型質量直接決定后期回采階段的生產效率與安全性。目前，追求煤巷的快速、安全掘進尤為重要。超前臨時支護是保證煤巷快速掘進的基礎，當前煤礦超前臨時支護由于自動化程度偏低且支護速度較慢，導致其無法與錨網支護相互協調高效配合達到快速掘進的目的[1]。除此之外，選擇合理、高效的掘進工藝也尤為重要。本文重點對煤巷快速掘進工藝和臨時支護設備進行改進，以保證煤礦掘進的高效性和安全性。

1 影響煤巷快速掘進效率的主要因素

從理論上講，影響煤巷快速掘進效率的主要因素包括機械設備的選型、工程地質條件、施工工藝、掘進工藝及臨時支護等。除此之外，可全面地將影響煤巷掘進效率的因素進行羅列，如圖1 所示。

圖1 影響煤巷掘進效率的關鍵因素

1）涉及煤巷掘進的機械設備包括掘進機、錨桿鉆機、運輸設備。目前，應用于煤巷開拓的掘進機以懸臂式掘進機為主，國產懸臂式掘進機存在刀具磨損嚴重、維護時間過長等缺陷，最終導致掘進效率不高且采掘比例失調的問題。同時，懸臂式掘進機缺乏基于刀具切割巖石判斷工作狀態的技術[2]。雖然錨桿鉆機已經集成于懸臂式掘進機中，但是無法實現錨桿鉆機遠距離操作下的精準定位，這也是影響掘進效率和安全生產的主要因素。可應用于煤巷掘進的輸送機包括刮板輸送機、伸縮式膠帶輸送機、礦車、梭式采礦車等，各煤礦需結合實際情況合理選擇最佳運輸設備。

2）在實際掘進過程中應盡量避免與斷層、節理發育不良等地質路段接觸；若無法避免，應提前作預案，并采用最新的掘進工藝和方法完成掘進任務。

3）結合我國當前的掘進技術基礎和設備能力，可采用的掘進施工工藝包括懸臂式掘進機和單體錨桿鉆機相互配合的施工工藝、以采煤機和獨立錨桿鉆機相互配合的施工工藝及通過掘錨一體化機組完成掘進施工[3]。各種掘進施工工藝各有利弊，需綜合煤巷地質條件和生產任務綜合確定。

4）以掘進機為核心的掘進工藝需經歷大約11道工序，且巷道的截面一般以矩形為主。以懸臂式掘進機為主的掘進工序如圖2 所示。

圖2 懸臂式掘進機掘進工序（單位：mm）

采用如圖2 所示的懸臂式掘進機掘進工序具有施工便捷性好、組織協調簡單的優點；但是，該工藝對煤巷的地質條件要求較高，主要適用于對硬煤巷、巖巷的掘進，并在掘進前期采用超前支護，以保證掘進的安全性。

5）針對懸臂式掘進工藝涉及的超前支護技術包括前探梁支護、機載臨時支護及自移式邁步支架支護技術等。目前，針對懸臂式掘進工藝的超前支護主要存在不被重視、支護速度慢等問題，導致最終支護效果不佳。

結合上述對影響煤巷快速掘進效率的主要因素進行分析，本文重點從掘進工藝和臨時支護設備兩方面進行改進，以提升煤巷的掘進速度。

2 煤巷快速掘進工藝的改進

本文以懸臂式掘進機為核心的掘進工藝展開研究，掘進機切割路徑是影響掘進效率的主要掘進工藝之一。目前，可采用的掘進機切割路徑包括蛇形、回形及螺旋形三種。本節將采用數值模擬分析的手段對三種不同掘進機切割路徑下對應的煤巷頂板和兩幫所承受的垂直應力進行對比分析，最終確定出適用于研究工作面的最佳掘進切割路徑[4]。

本文所研究煤巷采用的掘進機具體型號為EBZ160A，該型懸臂式掘進機的最大截割功率為250 kW，最大掘進高度和寬度分別為4.8 m、5.6 m，可適用的坡度為±16°。所應用煤巷的地質條件參數如表1 所示。

表1 煤巷地質條件參數匯總

基于Midas GRS NX 軟件并結合所研究煤巷的實際情況建立數值模擬模型，并結合實際地質條件參數對模型中的參數進行設置，對不同切割路徑對應掘進工藝的頂板和兩幫平均垂直應力進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 不同切割路徑對應推進方式下平均垂直應力

由表2 所示，回形切割路徑從上至下和從下至上兩種推進方式對應頂板與兩幫的平均垂直應力均為最大值；而螺旋形切割路徑和蛇形切割路徑中的從上至下推進方式的平均垂直應力相近；蛇形切割路徑中對應的從下至上推進方式的平均垂直應力最小。因此，適用于本文所研究煤巷的最佳掘進工藝為蛇形切割路徑中的從下至上的推進方式。

3 臨時支護工藝的改進

為保證最終煤巷掘進效率和安全性，要求臨時支護工藝與所采用的掘進工藝相互配套。結合本煤巷所采用的蛇形切割工藝的從下至上的推進方式，本工程擬將臨時支護工藝與永久支護工藝相互融合，最終達到節約支護時間、提升支護效果、快速掘進的目的[5]。

所謂臨時和永久支護相互融合指的是，將臨時支護與永久支護中相類似的工序，包括掛網、鋼帶托盤布設、鉆孔定位及錨桿鉆機的移機等均融合至臨時支架中。支護“合二為一”的工藝可以在掘進機邊掘進邊施工，不僅可以省去獨立的臨時支護時間，還可以對永久支護工序進行簡化。實踐表明，支護“合二為一”工藝可將永久支護施工縮短1/4 的周期，大大提升了掘進效率，降低了作業人員的勞動強度。

4 結語

煤巷掘進效率、安全性及最終的巷道成型質量是影響煤巷后期回采效率和安全性的主要因素。為實現煤巷的快速掘進任務，需對涉及的掘進設備、施工工藝、掘進工藝、臨時支護形式及地質條件綜合分析，最終選擇最佳的掘進工藝。本文重點針對影響掘進效率的因素對其中的掘進工藝和支護工藝進行改進設計，并總結如下：

1）通過對回形、蛇形及螺旋形三種切割路徑下不同推進方式對應煤巷頂板和兩幫的平均垂直應力進行對比分析，得出適用于本煤礦的最佳掘進工藝為蛇形切割路徑下對應的從下至上的推進方式。

2）將掛網、鋼帶托盤布設、鉆孔定位及錨桿鉆機的移機永久支護與臨時支護相融合，達到節約支護時間、降低作業人員勞動強度的目的，為實現快速掘進奠定了堅實的基礎。