基于斷面優化的煤巷采掘效率提升方案研究

張建國

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司，山西 太原 030053）

巷道掘進工作由于煤礦的不斷開采，面臨的地質條件越來越復雜，掘進的速度也嚴重影響了礦井的生產安全。如何提高巷道掘進的速度、拉低巷道成本、保障安全高效開采主要取決于能否選擇適合的巷道斷面形狀、有效的支護方案及快速掘進工藝[1-3]。

1 礦井概況

以某煤業為例，選擇的礦井為3號煤層，規模為300萬t/a，工作面在礦井田西北部，工作面設計長度為200 m，順槽長度是1 960 m，煤層均厚5.6 m，標高250～500 m，藏深440～680 m。其頂底板巖性如表1所示。

表1 3號煤層頂底板巖層分布表

煤礦在2018年就規劃創立該礦井的專業開拓及掘進隊，并且整個采掘工作都采用先進的綜合機械化掘進工藝完成的，鑒于煤礦的特殊地質結構以及3號煤層的復雜地質情況，而且存在員工技術水平不高以及整個施工管理不暢等問題，致使整個工作效率低下。因此，對于3號煤的快速采掘工藝的研究和優化迫在眉睫。

2 試驗巷道復雜地質條件表現特征

在開展煤巷快速掘進工作之前，對巷道工作區域的地質特征進行詳細掌握對于采掘工藝的選擇和設計意義重大，煤礦的回風順槽復雜地質條件的表現特征為：

1）直接頂的泥巖和偽頂的炭質泥巖都是軟巖，容易塌落。

2）工作面所在位置的地質復雜，褶皺、斷層比較多，圍巖易碎。

3）礦井的煤層富含較多的瓦斯，且壓力較為大，開展瓦斯防治工作是必然的。

3 煤礦井下巷道斷面優化

3.1 煤礦井下巷道斷面數值模擬研究

在進行煤礦井下巷道斷面數值模擬工作中，采用FLAC 3D軟件，設定實際工作面煤層的具體相關參數，隨后進行數值模擬計算模型的建立。同時在進行計算時還要如實模擬支護條件，分別分析不同支護條件下的掘進過程，得到不同形狀斷面的力學數據，通過分析比較，得到科學的巷道斷面方式。

分析數值模擬結果，如圖1、圖2、下頁圖3所示。

圖1 拱形和梯形巷道垂直應力分布

圖2 拱形和梯形巷道垂直位移分布

圖3 拱形和梯形巷道塑性區分布

3.2 巷道斷面模擬結果分析

圖1是巷道垂直應力分布情況，可以看出拱形和梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大垂直應力分別為21.8 MPa、25.7 MPa；而兩者的最大水平應力經過數值模擬分別得出為18.3 MPa，20.7 MPa；很顯然，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道引起的應力要小的多。

圖2是巷道垂直位移分布情況，可以看出拱形和梯形斷面巷道在掘進過程中產生的最大頂板下沉量分別為21.9 mm、47.7 mm；經過數值模擬，兩者的兩幫最大收縮量分別為39.8 mm、82.5 mm；最大底臌量分別為18.0 mm、29.7 mm；顯然，在掘進過程中距工作面10 m處，拱形斷面巷道比梯形斷面巷道引起的巷道收縮量要小的多。

圖3是巷道塑性區分布情況，可以看出拱形和梯形斷面巷道頂板塑性區深度分別為1.5 m、2.7 m；二者兩幫塑性區深度分別為1.5 m、3.0 m；而底板塑性區深度分別2.0 m、3.0 m；經過比較，梯形斷面比拱形斷面巷道的塑性區發育范圍大得多。

從圖1、圖2、圖3可以得知選取拱形斷面巷道時，斷面所受應力更小、圍巖變形量小同時塑性區破壞較小，表明拱形斷面巷道在此類地質情況下對后續的采掘工作和安全性保障等方面工作的進行是最有利的，能夠有效地增加掘進效率，充分保障采掘工作中的安全問題。因此遇到與該工作面類似的復合頂板巖層時，選用拱形斷面巷道掘進更好。

4 快速掘進工藝流程及方案優化研究

4.1 掘進設備及配套設備優化研究

綜采設備對采掘工作的效率和安全性產生很大的影響，所以在進行采掘工藝的設計優化過程中，必須對采掘的設備和配套裝置進行認真的選擇，所選的設備需要對地質形況和斷面形狀有較高的契合度，這樣才能使得設備的性能發揮出來，提升采掘效率。

在此優化方案中采用的設備有：綜掘機（EBZ-200H懸臂式掘進機）；配套裝備見表2。

表2 配套設備匯總表

4.2 施工工藝優化

在設備的截割方面。綜掘機進行截割工作所采取的路線參照圖4進行，將2號位設定為切割開始的位置，設定切割深度為200 mm，隨后按S型路線，選擇進刀位置在巷道頂部，最終切割終點為設計的斷面位置，待切割完成，綜掘機及相關輔助設備退出，隨后完成支護工作，依此工序進行循環，這種工序的安排能夠最大程度的減少煤層中的應力作用，能夠實現高效的實現煤炭的開采，同時，當設計的開采工序能夠保持煤層較小的應力作用，那么整個采掘過程安全性將會得到有效保障，減少了很多不利情況的發生。

圖4 綜掘機截割線路示意圖

在平行作業方面。首先采取的采掘工序保證了整個開采處于較為安全的生產環境，在此基礎下采用多工序交叉的方式進行作業，在工序不干涉的情況下安排頂部以及幫部的錨桿，還有滯后錨桿與運料均劃入平行作業規劃當中，這樣的工序管理能夠盡可能地使得效率提升、成本降低。

5 結論

對于煤礦井下工作面回風順槽經常出現的巷道掘進斷面選取問題，提出一種通過采用FLAC 3D數值模擬和工程實際經驗相結合分析方式，對較大煤巷巷道斷面深入優化，研究出符合實際的快速掘進工藝。最終得出：

1）完成不同斷面的應力分布、圍巖變形、塑性區分布等情況的模擬分析得到，拱形斷面巷道具有多面優勢，巖體受應力更小、圍巖變形量小同時塑性區破壞較小。

2）該案例提供了一種有采掘方式優化方案，在遇到類似的情況時，可以依照此煤礦模擬方法進行選取最佳斷面方式，實現巷道掘進施工工藝的優化，以此提升采掘的效率和安全性。