低能耗中部切槽誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝研究

王 位

（華陽集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045000）

一直以來，煤炭生產(chǎn)效率和能耗是煤礦企業(yè)關(guān)注的指標(biāo)。當(dāng)前，部分煤炭資源主要存儲在地下深部位置，其地質(zhì)條件復(fù)雜，如何提高深部巖層的生產(chǎn)效率和可靠性是急需解決的問題。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，單純通過提高設(shè)備裝機(jī)功率達(dá)到提高生產(chǎn)能力的思路在實際實施過程中已經(jīng)達(dá)到瓶頸。當(dāng)前主要研究方向為在保證掘進(jìn)功率和幾何尺寸不變的基礎(chǔ)上提高其掘進(jìn)效率和可靠性。為此，本文提出了局部卸載誘導(dǎo)巖層自裂方法，最終達(dá)到降低掘進(jìn)能耗提高生產(chǎn)能力的目的，并在最終實現(xiàn)智能化自適應(yīng)掘進(jìn)的效果[4-5]。

1 深部巖層掘進(jìn)機(jī)理及工藝研究

本文以埋藏深度在1 031 m 的巷道掘進(jìn)為例開展研究，通過數(shù)值模擬手段初步確定深部巖層的最佳的掘進(jìn)工藝，重點對在實際掘進(jìn)過程中高應(yīng)力和中部切槽誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝的效果進(jìn)行對比。

1.1 數(shù)值模擬仿真模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場條件建立尺寸為200 m×100 m 的模型，設(shè)定掘進(jìn)速度為1 m/s。分別對圍壓為0、8 MPa 以及中部切槽誘導(dǎo)掘進(jìn)三種掘進(jìn)方式對掘進(jìn)性能的影響進(jìn)行模擬。所建立的仿真模型如圖1 所示：

圖1 數(shù)值模擬仿真模型

結(jié)合現(xiàn)場巖層檢測的勘測結(jié)果，對上述模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如表1 所示：

表1 數(shù)值模擬仿真模型參數(shù)設(shè)置

1.2 仿真結(jié)果分析

在上述模型設(shè)計和參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，分別對三種掘進(jìn)模式對應(yīng)的掘進(jìn)性能進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖2 所示：

圖2 仿真結(jié)果

分析圖2 仿真結(jié)果可知，相比于自由邊界掘進(jìn)、圍巖掘進(jìn)，采用中部切槽誘導(dǎo)的掘進(jìn)方式由于此種方式在掘進(jìn)過程中可將煤巖中的內(nèi)部應(yīng)力卸載，從而使得其在掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)力大幅度下降。而且，在中部切刀誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝下，當(dāng)其掘進(jìn)深度為5 mm 和10 mm 時，其對應(yīng)的掘進(jìn)比能耗降低不明顯，而當(dāng)掘進(jìn)深度為15 mm 時對應(yīng)掘進(jìn)比能耗降低非常顯著。

綜上所述，對于深部巖層的掘進(jìn)，采用中部切刀誘導(dǎo)掘進(jìn)方式不僅可以降低掘進(jìn)力，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗掘進(jìn)的目的。同時，當(dāng)工作面圍巖壓力較大時可適當(dāng)?shù)脑龃缶蜻M(jìn)深度，最大化的降低掘進(jìn)比能耗，實現(xiàn)對巖層的高效掘進(jìn)。

2 智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝效果

基于PFC 數(shù)值模擬軟件對深部巖層的智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝效果進(jìn)行仿真分析，包括有深部巖層掘進(jìn)模擬和深部巖層低能耗誘導(dǎo)掘進(jìn)模擬。

2.1 深部巖層掘進(jìn)模擬

根據(jù)綜采工作面實際情況，為了提高數(shù)值模擬的可處理性，對所構(gòu)建的模型的巖層和巖層進(jìn)行簡化的處理。將數(shù)值模擬仿真模型的尺寸確定額為150 m×110 m，并對所構(gòu)建的模型進(jìn)行常規(guī)開挖。截齒的長度設(shè)置為100 mm，直徑為46 mm，傾角設(shè)計為55°，加載巖層后的掘進(jìn)模型如圖3 所示：

圖3 加載后巖層掘進(jìn)模型

如圖3 所示，截齒對深部巖層進(jìn)行掘進(jìn)后，巖層內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化，并在截齒的尖端處產(chǎn)生裂紋，上述裂紋并迅速擴(kuò)散，進(jìn)而使得巖層不斷發(fā)生劈裂，形成了超前主裂紋，進(jìn)而實現(xiàn)對巖層的超前掘進(jìn)，使得掘進(jìn)后的煤體從整個巖層中脫離出來。經(jīng)對切割力具體分析可知，加載后的掘進(jìn)模型中所承受的最大切割力為64.3 kN，平均切割力為5.07 kN；通過積分換算可知，掘進(jìn)深部巖層的掘進(jìn)比能耗為12.4 kW·h/m3。

2.2 深部巖層低能耗誘導(dǎo)掘進(jìn)模擬

仿真條件：工作面巷道已經(jīng)完成了中部巖層的掘進(jìn)卸荷，分別對設(shè)備掘進(jìn)工作面頂部和工作面底部兩種情況進(jìn)行仿真，兩種情況對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝示意圖

通過仿真分析，得出在掘進(jìn)頂部和底部時對應(yīng)的切割力；通過對切割力進(jìn)行積分運算得出其能耗，并將其與傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝對應(yīng)的能耗進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2 所示：

表2 智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝能耗仿真結(jié)果

綜上所述，在綜采工作面采用智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝后平均可降低能耗約18.82%。經(jīng)換算可知，采用智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝后每掘進(jìn)一噸煤可直接節(jié)約電量2.3 kW·h；該本巷道的掘進(jìn)任務(wù)的工作量，則每年可直接節(jié)約電量為6.9×106kW·h，直接可節(jié)約電費為690 萬元。

3 結(jié)語

煤礦綜采工作面煤炭的生產(chǎn)能力在很大程度上決定于設(shè)備性能，其能耗與裝機(jī)功率相關(guān)。在某種程度上，若想提高工作面的生產(chǎn)能力需要直接增大其功率才能達(dá)到目的。因此，降低掘進(jìn)巖層的實際能耗，對于保證其生產(chǎn)能力具有重要意義。為此，本文提出了智能化誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝在深部巖層掘進(jìn)的應(yīng)用研究。總結(jié)如下：

1）實際上掘進(jìn)巖層時能耗的降低，核心思想在于將巖層中的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行釋放，從而提高掘進(jìn)效率。為此，提出了中部切槽誘導(dǎo)掘進(jìn)工藝，不僅可以降低掘進(jìn)力，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗掘進(jìn)的目的。

2）通過仿真分析可知：加載后的掘進(jìn)模型中所承受的最大掘進(jìn)力為64.3 kN，平均掘進(jìn)力為5.07 kN；通過積分換算可知，掘進(jìn)深部巖層的掘進(jìn)比能耗為12.4 kW·h/m3。

3）通過仿真分析可知，所提出的掘進(jìn)工藝可直接節(jié)約能耗18.82%，對于生產(chǎn)能力為3 Mt 的煤礦，可直接節(jié)約電費690 萬元。