礦井下高速掘進工藝的應用研究

李世杰

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司生產技術部，山西 壽陽 045400）

對煤炭生產企業來說，煤礦井下的綜采作業效率直接決定了企業經濟效益，因此在市場競爭愈加激烈的情況下，各個煤炭生產企業均在進行技術革新，提升井下的綜采作業效率，隨著綜采面自動化水平的不斷提升，煤礦井下的掘進速度成為了限制綜采作業速度進一步提升的重要因素，通過對現有井下掘進工藝的分析，限制掘進速度提升的因素主要包括支護作業周期長、掘進機截割路徑偏差大、反復修改巷道截面[1]，因此針對以上兩個部分，在對支護作業方案和掘進作業流程進行全面分析的基礎上，本文提出了一種新的高濕掘進工藝，其針對性的對井下支護方案和掘進截割路徑進行優化，采用永久支護和臨時支護相結合的方案，有效的降低了在巷道支護時的時間，同時提出了“蛇形”截割路徑，能夠有效降低截割作業時的截割阻力，提高截割作業效率和巷道的成形質量，根據實際應用表明，該告訴掘進工藝能夠顯著提升井下掘進作業的速度，其掘進效率比優化前提升了43%以上，具有極大的應用推廣價值。

1 臨時支護方案

煤礦井下為了確保綜采作業的安全性，在綜采和掘進作業前需要對巷道進行支護，傳統支護方案均采用了永久支護方案結構，該方案雖然支護可靠性好、安全性高，但是也存在著支護作業效率低下、成本高的缺陷，因此為了提升井下支護作業速度，在長期研究的基礎上提出了一種自移動式的臨時支護結構，該支護設備和掘進機為分離式布置方式，將臨時支護支架設置到掘進機的上側，隨著掘進機掘進作業的進行逐級前移，同時在掘進機兩側后后側采用鋼網錨索支護形式，待掘進機前移超過100m后便和采用永久立柱支護進行補充支護的方式提高掘進過程中的穩定性。該臨時支護和永久支護相結合的方式優點在于縮短了在掘進作業前需要支護的巷道距離，同時能夠在掘進作業過程中不斷進行補充支護，支護時間比單純采用永久支護降低了30%，臨時支護結構如圖1所示[2]。

圖1 臨時支護結構示意圖

2 掘進工藝優化

傳統的井下掘進工藝為“回”字型的掘進工藝[3]，進行掘進作業時，掘進機的截割機構從外側/內側開始下刀，沿著螺旋狀的截割路徑逐漸向內/向外進行截割作業，但在應用過程中會存在和截割機構掘進作業時在同一時刻僅有約1/3的截齒參與截割，作用在截齒上的截割阻力和磨損均較大，為了確保截齒的安全性，通常采用降速運行的方案進行切割。通過對井下掘進作業方式的分析，提出了一種新的“蛇形”截割作業方案，該截割作業方案包括從高到低截割路徑和從低到高的截割路徑，“蛇形”截割路徑結構如下頁圖2所示。

“蛇形”截割作業流程主要包括巷道支護—掘進作業—橫向切槽—迂回補切四個作業流程，當巷道支護結束后，掘進機就開始啟動進行截割作業，截割時掘進機的截割機構首先對截割區域內的浮煤進行清掃，清掃完成后掘進機的截割機構就開始進行進刀，直到截割機構徹底切入到巖層內，隨著切割的進行掘進機鏟板上的傳輸機構開始運行，將切割下來的物料進行傳輸，然后掘進機的截割機構會在兩側進行小幅度的擺動，完成橫向切槽作業，直到完成一個截面后，掘進機在對截割作業不完全的地方進行一個迂回補切，即可完成在一個截面上的全部掘進作業，由于優化了截割作業方案，截割相同體積的巖層所使用的時間比優化前降低了13%。

圖2 “蛇形”截割路徑示意圖

3 掘進作業路徑對巷道穩定性的影響

由于煤礦井下的地質條件復雜，掘進機在進行掘進作業時的截割路徑對臨近區域的地質穩定性具有十分重要的影響[4]，特別是采用臨時支護與永久支護相結合的方式后，在臨時支護位置的穩定性更為敏感，因此需要對不同截割路徑下額巷道穩定性進行分析，選擇對巷道穩定性影響最小的掘進作業路徑。

在進行仿真分析時，本文采用了Midas GTS NX有限元模擬分析軟件[5]，建立井下截割區域模型示意圖，根據井下實際測量的地質情況，設置巷道頂板材料的彈性模量為19.25 GPa，其泊松比為0.31，設置煤層的材料的彈性模量為1.25 GPa，其泊松比為0.23，設置煤層的材料的彈性模量為16.41 GPa，其泊松比為0.17，然后分別采用由高到底的截割作業方式和由低到高的作業方式對截割作業過程中巷道頂板和幫部的最大位移量進行分析，結果如圖3所示。

由仿真分析結構可知，在不同的截割作業路徑作用下巷道幫部的變形量均隨著截割作業次數的增加而增大，最大變形量均約440 mm。當采用由高到低的截割作業方式時，隨著截割次數的增加巷道的變形量逐漸加大，最大變形量約為220 mm，而采用由低到高的截割作業方式時，隨著截割次數的增加巷道的變形量先增加然后再逐漸降低，最大變形量約為101 mm，比從高到底作業時的變形量降低了54.1%，由此可知，采用由低到高的截割作業路徑穩定性高于從高到底的截割作業路徑。

圖3 不同截割作業方式下巷道結構變化情況

4 結論

為了提升井下掘進作業效率，本文提出了一種新的高速掘進工藝，該工藝方案采用臨時支護的永久支護相結合的方案，同時提出了“蛇形”掘進截割路徑，對不同截割方式下對巷道穩定性的影響進行了分析，結果表明：

1）臨時支護和永久支護相結合的方式優點在于縮短了在掘進作業前需要支護的巷道距離，同時能夠在掘進作業過程中不斷進行補充支護，支護時間比單純采用永久支護降低了30%。

2）“蛇形”截割作業方式截割相同體積的巖層所使用的時間比優化前降低了13%。

3）采用由低到高的截割作業方式，巷道的變形量比從高到底作業時的變形量降低了54.1%，由此可知，采用由低到高的截割作業路徑穩定性高于從高到底的截割作業路徑。