煤巷快速掘進(jìn)工藝及臨時支護(hù)設(shè)備的改進(jìn)

許文林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長溝煤礦， 山西 和順 032700）

引言

煤礦巷道的掘進(jìn)效率和最終巷道的成型質(zhì)量直接決定煤礦的生產(chǎn)能力。但是，我國煤礦生產(chǎn)中巷道掘進(jìn)和煤層開采匹配度較差，即巷道掘進(jìn)效率遠(yuǎn)低于開采效率。因此，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的快速掘進(jìn)對于進(jìn)一步提升煤礦的生產(chǎn)能力具有重要意義[1]。與此同時，煤礦巷道在掘進(jìn)過程中也需要對巷道進(jìn)行有效支護(hù)，才能對巷道掘進(jìn)起到正向作用。

1 1017 工作面工程概況

1017 工作面的切眼長度為180 m，可采煤儲量為111.6 萬t。煤層厚度為4.90～5.91 m，平均厚度為5.7 m；煤層傾角范圍為-2°～-8°，平均傾角為-5°。1017 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

經(jīng)探測，1017 工作面瓦斯絕對涌出量為89 m3/min；工作面的最大涌水量可達(dá)15 m3/h，正常涌水量為6 m3/h。目前，工作面采用走向長壁、后退式放頂煤一次全采高全部垮落式綜合機(jī)械化開采工藝。

2 煤巷掘進(jìn)工藝的改進(jìn)

目前，1017 工作面所采用的掘進(jìn)機(jī)型號為EBZ160A，該型掘進(jìn)機(jī)可掘進(jìn)巷道的斷面面積為27m2，可掘進(jìn)的巷道的最大高度為4.8 m，可掘進(jìn)的工作面最大寬度為5.6 m，可在坡度為16°的工作面開展掘進(jìn)任務(wù)。影響巷道掘進(jìn)效率的主要因素包括有所采取的切割路徑和支護(hù)的工藝。

目前看來，應(yīng)用于掘進(jìn)工作面的切割路徑包括有蛇形切割路徑、回形切割路徑和螺旋形切割路徑。其中，蛇形切割路徑可以分為自上而下和自下而上，以自上而下為例一般的切割工藝流程為：清掃場地→切割巖層→橫向掏槽→迂回切割。回形切割路徑可以分為順回和逆回兩種方式[2]。螺旋形切割路徑對掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的素質(zhì)要求較高，司機(jī)需同時對水平和垂直方向的運(yùn)動進(jìn)行控制。本小節(jié)將結(jié)合1017 工作面的實(shí)際情況建立模型，并分別對比上述三種不同切割路徑優(yōu)劣勢。

2.1 蛇形切割路徑仿真分析

主要對蛇形切割路徑的自上而下和自下而上兩種切割方式的巷道成型質(zhì)量和切割過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，采用自上而下的路徑進(jìn)行切割時，巷道的變形量大于采用自下而上切割路徑的情況；同時，自上而下路徑對應(yīng)的平均應(yīng)力大于自下而上切割路徑的情況。因此，對于蛇形切割路徑而言，應(yīng)采用自上而下的切割路徑[3]。

2.2 回形切割路徑仿真分析

對于回形切割路徑而言，主要對比順回形和逆回形兩種切割方式對應(yīng)切割過程中巷道的平均應(yīng)力，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 回形切割路徑仿真結(jié)果 MPa

如表3 所示，回形切割路徑下巷道頂板的平均應(yīng)力在兩種切割方式下相差不大；不同的是，逆回形切割方式下兩幫的平均應(yīng)力小于順回形切割方式。因此，采用逆回形切割方式更有利于對保證巷道的穩(wěn)定性。

2.3 螺旋形切割路徑仿真分析

對于螺旋形切割路徑而言，在其螺旋形推進(jìn)方式下對巷道頂板和兩幫的平均垂直應(yīng)力進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 螺旋形切割路徑對巷道頂板和兩幫的垂直應(yīng)力 MPa

對比表2、表3、表4 的仿真結(jié)果可知：回形切割路徑對應(yīng)的巷道頂板和兩幫的平均應(yīng)力最大；而蛇形切割路徑對應(yīng)的自下而上的切割方式對巷道頂板和兩幫的平均應(yīng)力均小于螺旋形切割路徑的情況，即更有利于保證掘進(jìn)期間巷道的穩(wěn)定性。綜上所述，采用蛇形自下而上的切割方式對1017 工作面的巷道進(jìn)行切割。

3 巷道快速掘進(jìn)臨時支護(hù)設(shè)備的改進(jìn)

為保證巷道的掘進(jìn)效率可在實(shí)際掘進(jìn)過程中采用臨時支護(hù)設(shè)備對巷道進(jìn)行支護(hù)。目前，實(shí)際掘進(jìn)過程中所采用的臨時支護(hù)設(shè)備并不能夠真正解決采掘比例失調(diào)的問題，即對應(yīng)巷道掘進(jìn)效率提升幅度不明顯。而在掘進(jìn)機(jī)過程中采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式不僅降低了掘進(jìn)效率，而且還增加了支護(hù)成本。

因此，為進(jìn)一步增加巷道的掘進(jìn)效率應(yīng)重點(diǎn)解決當(dāng)前臨時支護(hù)設(shè)備的兩項(xiàng)問題：第一，解決當(dāng)前臨時支護(hù)設(shè)備主要依靠人工完成支護(hù)，并未達(dá)到機(jī)械化支護(hù)的水平；第二，掘進(jìn)設(shè)備和臨時支護(hù)設(shè)備為相互獨(dú)立的個體。基于上述兩項(xiàng)重點(diǎn)解決的問題對現(xiàn)階段的臨時支護(hù)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)合1017 巷道的斷面尺寸和掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，設(shè)定臨時支護(hù)設(shè)備的寬度應(yīng)控制在3100～6100 mm，保證其能夠根據(jù)巷道寬度進(jìn)行自行調(diào)整；臨時支護(hù)設(shè)備的支護(hù)高度控制在2600～4500 mm 之間，可根據(jù)欠挖或超挖的情況對支護(hù)高度進(jìn)行調(diào)整。按照最危險的情況考慮，當(dāng)巷道頂板的圍巖全部垮落至臨時支護(hù)設(shè)備上方時對應(yīng)的支撐應(yīng)力不得小于0.069MPa。

結(jié)合上述分析基礎(chǔ)，針對性地設(shè)計(jì)出臨時支護(hù)設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 臨時支護(hù)設(shè)備三維結(jié)構(gòu)圖

在圖1 臨時支護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)上加裝錨桿鉆機(jī)，從而減少了作業(yè)人員搬移錨桿鉆機(jī)的工作量，直接提高了支護(hù)效率；而且，臨時支護(hù)設(shè)備所加裝的自動找平結(jié)構(gòu)可以保證設(shè)備對各種復(fù)雜工作面進(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)論

1）通過仿真分析可知，采用蛇形切割路徑的自下而上切割方式回形和螺旋形切割路徑下對應(yīng)巷道頂板和兩幫的平均垂直應(yīng)力小，更有利于保證巷道的穩(wěn)定。因此，1017 工作面采用蛇形切割路徑的自下而上切割方式為最佳；

2）所設(shè)計(jì)的臨時支護(hù)設(shè)備寬度應(yīng)控制在3100～6100 mm，護(hù)高度控制在2600～4500 mm 之間，支撐應(yīng)力不得小于0.069 MPa。同時，臨時支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)能夠降低作業(yè)人員的勞動效率，提高掘進(jìn)效率。