28216 工作面掘進機快速掘進工藝研究

吳森茂

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

1 概述

東曲煤礦28216工作面軌道順槽長度為1182 m，寬度為5 m，高度為4 m，該工作面煤層埋深平均375 m，煤層厚度3.41～4.34 m 不等，斷層較發(fā)育，為采煤掘進造成較大困擾。回采巷道頂板巖層穩(wěn)定性較差，加劇了回采掘進時頂部垮塌的風險。在前期采煤掘進與支護時，存在掘進作業(yè)頂板支護不及時、事故隱患大的問題。基于此，針對28216 工作面實際情況進行快速掘進工藝研究，旨在通過優(yōu)化掘進機截割工藝、工序方案以及支護方案，提升采煤效率，提高經(jīng)濟效益。

2 掘進機截割工藝優(yōu)化

28216 采煤工作面巷道穩(wěn)定性差，掘進條件復雜。采用傳統(tǒng)掘進支護工藝施工時，施工效率很低，事故風險隱患大。東曲煤礦采用的掘進機為EBZ260 型，該型掘進機能夠滿足巷道開采地質(zhì)條件，因此，合理優(yōu)化掘進截割工藝是保障掘進機發(fā)揮性能、實現(xiàn)快速掘進的重要因素。由于28216 工作面斷層發(fā)育，地質(zhì)穩(wěn)定性較差，目前普遍采用的中心進刀、四周環(huán)形截割工藝，常常導致巷道成型困難，坍塌情況也時有發(fā)生。

為了改進掘進截割方式，技術(shù)人員對28216 工作面煤層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了長期監(jiān)測，于2019 年11 月首次在工作面143 m 處應用全新跨越式掘進截割工藝。該新工藝主要創(chuàng)新點為掘進方式的不同，將傳統(tǒng)環(huán)形截割優(yōu)化為側(cè)向交替掘進截割，即首先將掘進方向巷道分為穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)兩部分，寬度比例約為1:2，然后對不穩(wěn)定區(qū)一側(cè)截割掘進，前進一定距離后，退出側(cè)移掘進機，進行另一側(cè)截割掘進，往復交替，實現(xiàn)快速掘進。

該工藝主要可以實現(xiàn)掘進后到支護前一段時間周期內(nèi)降低空頂時間，使得發(fā)生坍塌等風險大大降低，實現(xiàn)穩(wěn)定掘進和安全作業(yè)。側(cè)向交替掘進截割路線示意圖如圖1 所示。

3 統(tǒng)籌工序優(yōu)化方案

28216 工作面煤層掘進完成后，需要對成型的掘進巷道進行支護，而支護作業(yè)是掘進工藝中最為重要也是最為費時費工的，一般支護作業(yè)占比整個掘進作業(yè)時間的一半以上。

為了從工序上實現(xiàn)掘進效率的提升，結(jié)合28216 工作面掘進環(huán)境，充分分析掘進作業(yè)所有工序，按照各工序要求以及周期進行了多工序平行作業(yè)組合方案制定，縮短了支護作業(yè)周期。具體方案為：在保證掘進巷道安全穩(wěn)定并有效降低掘進事故風險的前提下，采用了一種滯后迎頭一段距離的弱化支護時間方案，方案的關鍵點在于分析掘進巷道應力變化最大點。28216 工作面掘進巷道寬5 m，高度為4 m，掘進方向巷道左右兩個頂板高點最容易因應力變化失穩(wěn)，因此對這兩個點設置錨桿，設置距離為沿著掘進方向距離掘進面約15 m 處。該處設置錨桿可以不影響掘進機安裝、運行，能夠很大程度降低掘進后實施永久支護作業(yè)的時間，基本實現(xiàn)支護與掘進平行進行。

28216 工作面原來30 d 掘進320 m 左右，經(jīng)過新工序?qū)嵤瑯拥臅r間可以掘進480 m 左右，掘進速度提升了一半以上。另外，統(tǒng)籌工序優(yōu)化方案還提出在支護期間對掘進相關設備進行保養(yǎng)維護，實現(xiàn)工序同步、周期縮短的目標。優(yōu)化方案統(tǒng)籌工序示意圖如圖2 所示。

圖1 28216 工作面?zhèn)认蚪惶婢蜻M截割路線示意圖

圖2 優(yōu)化方案統(tǒng)籌工序示意圖

4 機載臨時支護方案

常規(guī)掘進作業(yè)中的臨時支護在掘進機掘進完成后，按照臨時支護工藝要求，對掘進面頂部和四周進行臨時支護。單項立柱支柱在進行巷道保護過程中使用的臨時支護設施，動力主要來源于液壓動力驅(qū)動裝置，主要作用是為永久保護工作提供安全的施工環(huán)境。臨時支護太大的支撐力會給巷道帶來很大的外力，增加巷道倒塌的風險，而小的支撐力則無法起到支撐作用。發(fā)動機的液壓動力來自井下的動力工作站，該工作站通過管道向支持設備提供恒定壓力的液壓油，并通過單向閥、快速閥、安全閥等調(diào)節(jié)液壓油，調(diào)整支柱的支撐力。單項立柱支柱臨時支護工藝支護能力不高，對較大的地質(zhì)壓力無法起到有效作用，容易出現(xiàn)支護面巖層或煤層碎裂砸落的情況，出現(xiàn)巷道冒頂事故，對作業(yè)人員的人身安全以及掘進效率都非常不利。目前28216 工作面為了增加臨時支護的穩(wěn)定性和可靠性，并提升臨時支護效率，采用了改進的機載臨時支護工藝。具體工藝實施為：在掘進機前安裝前置支撐梁結(jié)構(gòu)，支撐梁的長度按照掘進工作面寬度確定。28216 工作面掘進巷道寬5 m，支撐梁長度為4.5 m，采用直徑為108 mm、壁厚為4 mm 的無縫鋼管材料制成。支撐梁與掘進巷道頂板之間用護板支撐，護板的規(guī)格為1800 mm×25 mm×25 mm。在掘進機掘進作業(yè)過程中，需要注意護板之間的連接可靠性以及銜接性。通過掘進機前置支撐梁完成的臨時支護作業(yè)，支護強度遠高于單項立柱支柱工藝臨時支護強度，并且實現(xiàn)了掘進與臨時支護同步實施，大大壓縮了整個掘進工藝實施時間。東曲煤礦經(jīng)過在28216 工作面應用改進后的掘進工藝，掘進工藝實施周期縮短了34%，且在近五個月的時間內(nèi)，沒有出現(xiàn)一次支護事故。掘進機前置支撐梁結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 掘進機前置支撐梁結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

本文研究了東曲煤礦28216 工作面快速掘進改進工藝，主要針對工作面掘進作業(yè)方式、工序安排以及臨時支護作業(yè)等工藝進行優(yōu)化，提出了適合28216 工作面地質(zhì)條件的快速掘進新工藝，通過研究形成以下結(jié)論：

（1）28216 工作面地質(zhì)穩(wěn)定性差，為了降低掘進坍塌風險，摒棄了中心進刀、四周環(huán)形截割工藝，采用側(cè)向交替掘進截割，對穩(wěn)定性較差的一側(cè)首先進行掘進，然后在對相對穩(wěn)定的一側(cè)進行掘進作業(yè)。該掘進方式主要是通過降低空頂時間來防止巷道坍塌事故的發(fā)生。

（2）滯后迎頭一段距離的弱化支護時間方案，基本實現(xiàn)支護與掘進共同進行，28216 工作面掘進速度提升了一半以上。

（3）將單項立柱支柱臨時支護工藝優(yōu)化為掘進機前置支撐梁結(jié)構(gòu)臨時支護工藝，優(yōu)化后的臨時支護方式不僅在支護強度方面遠高于單項立柱支柱工藝，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)掘進與臨時支護同步，極大地降低了掘進支護作業(yè)時間。28216 工作面應用改進后的掘進工藝，掘進工藝實施周期縮短了34%，掘進安全以及掘進效率都得到了有效保障。

（4）東曲煤礦經(jīng)過在28216 工作面應用改進后的掘進工藝，在近五個月的時間內(nèi)沒有出現(xiàn)一次安全事故，證明了改進后工藝的有效性。