煤礦巷道快速掘進分析與支護技術研究

＊楊崇江

（霍州煤電集團晉北煤業公司 山西 035100）

1.分析影響煤巷掘進速度的因素

煤巷掘進工程復雜，它涉及的子系統有通風、供電和運輸等。設備型號、操作工藝還有地質條件等諸多因素共同制約著煤巷掘進的速度。統籌規劃各環節的影響因素，促進煤巷的掘進速度，達到高效、減員的目的。既相互聯系又相互制約的影響不會單一存在，除技術因素外，操作員的素質和工程管理模式也影響著煤巷掘進快慢，圖1闡述了每個因素互相影響的關系。

圖1 巷道掘進速度影響因素關系

(1)設備的種類

很多機械設備都可以用于挖掘煤巷，下面介紹常用的四種：錨桿式還有刮板式、轉載式以及掘進式的輸送機。

①錨桿鉆機：主要用于支護作業。完成掘進后，錨桿鉆機開始錨網，保證圍巖牢固不變形，提升在掘進過程中工作面頂板的安全性能。除了使用時對施工空間和環境要求高以外，能用錨桿鉆車就盡量不用單體式鉆桿鉆機，因為用錨桿鉆車自動化程度大、作業效率高。

②掘進機：目前研發和使用的掘進機，伴隨著開采煤炭技術的提升，其作用和種類也在不斷增多，以懸臂式的掘進機最為普遍。它種類最齊全，但性能差且基本沒有實現機械化。所以針對此掘進機的缺點，采取以下措施全面提高巷道掘進技術：首先穩定設備并延長使用刀頭的壽命；其次采用自動化人工智能作業，控制掘進機實現自動識別和切割。

③運輸設備：煤巖被截割下來以后，如果不及時運送出去，或者運輸效率很低，都會影響作業進度并拖慢巷道掘進的速度，此時就要選用合適的運輸設備。該設備由礦車、刮板輸送機和橋式轉載機以及可伸縮膠帶輸送機等部件組成。做好設備檢修和日常維護，提高設備安全性和可靠性，根據實際掘進作業時的工作面選擇設備型號和選用的部件，反復設計、驗算運輸效率，組合以上設備部件，構成最適合巷道掘進的運輸系統。

(2)采礦工程的地質條件

采礦工程就是采出需要的資源，要想順利截割、爆破和開挖地質體，一定要先判斷該項目的地質情況。通常情況下，完成煤礦巷道的設計后，工程地質的環境一般不變。地下是否有水、煤巖的軟硬程度、是否完整以及圍巖特性和節理裂隙都會影響工程地質條件。高效施工建立在地質條件滿足生產措施和工藝的基礎上。地質條件越好，越能在臨時支護或掘進時，支護的更永久；以下幾種情況會減慢巷道掘進：遇到老窯積水導致陷落柱或斷層這種不良好的地質時，不能有效管理和控制圍巖，必然需要耗費大量的工藝和生產環節。

(3)操作人員的工藝水平

挖掘煤巷時，要進行裝煤和割煤以及運輸和支護很多環節，支護工作是最復雜的。掘進速度快慢與操作人員的工藝水平相關聯。我國常用的煤巷掘進作業施工線見圖2。優點是具有超強適應性，更加自動化且更加靈活，可連續運輸、截割煤巖。缺點是支護作業時影響了掘進速度，不能進行掘、支這種平行作業。煤巷掘進時的施工工藝流程有橋式傳送和掘錨一體以及帶式運輸和轉載破碎等，實際工作環境不同，需要選擇的流程不同；設備不同，適應條件也不同；流程不同，特點也不相同。

圖2 掘進施工作業線

(4)臨時支護

支護包含臨時和永久兩種時長的支護性質，巷道掘進速度很快時，支護可以保證巷道環境的安全。其中，臨時支護使用更頻繁，對掘進作業過程的影響更小。針對臨時支護在巷道快速掘進過程的阻礙作用，合理、科學的選擇臨時支護方式，才能盡最大可能減小巷道掘進時臨時支護的負面影響。我們進行臨支時最常選用這三種：機載式和自移邁步式以及前探梁式。

2.優選支護方式，促進煤巷掘進

巷道掘進步驟里最關鍵的一步是掘進機切割，所以為了提升煤巷的掘進速度，該文優化了掘進機在切割時的工藝。

(1)掘進機的切割路徑

掘進機進行切割時產生運動路徑不同，就造成了巷道斷面輪廓的不同。具體有：

①蛇形切割：當巷道是矩形斷面時，優選蛇形切割方式。它的具體切割流程是：首先打掃工作環境—接著把煤壁進行切割—然后掏槽采用橫向方式—最后切割采用迂回模式。切割途徑有兩種，分別是自上向下以及自下向上，具體見圖3。

圖3 蛇形切割路徑

②回形切割：從底板左幫處，掘進機開始下第一刀，截割臂掏槽時采用橫向模式左-右擺動，到達右幫后沿右幫轉到巷道頂板，掏槽時一直選擇豎向模式上-下擺臂，然后順頂板到巷道幫，掏槽時選擇右-左方向擺臂，最終在左幫掏槽時選擇上-下方向完成擺臂。回形切割時還以選擇由巷道頂板處進第一刀。其不同的路徑見圖4。

圖4 回形切割路徑

(2)分析切割路徑

這兩種不同路徑切割兩幫圍巖時產生的數據不同，利用Midas CTS N軟件將所產生的不同移近量和頂板下沉量進行建模，全面分析計算回形和蛇形這兩種切割路徑對巷道掘進的影響，其模擬結果見圖5。

圖5 2種切割路徑巷道變形情況

上圖可見巷道圍巖產生的變形隨蛇形或回形切割次數增加而增加。他們的具體區別有兩點：首先是巷道兩幫產生的最大移近量不同，回形切割產生的差不多是240mm，蛇形切割產生的差不多是200mm；其次是頂板產生的最大下沉量不同，回形切割產生的差不多是150mm，蛇形切割產生的差不多是120mm。綜上得出蛇形切割產生的位移量相對較小，加速了巷道掘進，同理，也可以增加空頂長度，達到最終目的。

(3)優化支護技術

以前從未試過把永久、臨時這兩種支護一起用。每一種支護方式單獨作業時，都會減慢掘進速度，因為會占用施工空間，擾亂作業步驟。所以綜合考慮為煤巷掘提速的目的，提出了合并使用這兩種支護技術，方法是將永久支護的鉆孔和掛網工序融進臨時支架，實現在支護同時，進行巷道掘進工作，達到了縮短支護時間并加快了巷道快速掘進，我們將其命名為新型臨時支架，見圖6。

圖6 新型臨時支架

3.結論

本文總結了影響煤巷掘進速度的幾點因素：地質條件和選擇的機械設備類型、臨時支護措施以及操作人員的工藝水平；蛇形切割在掘進機切割時可以加快巷道掘進，對圍巖產生的位移量更小；將支護技術合二為一，縮短支護的時間。