煤巷快速掘進(jìn)工藝及臨時(shí)支護(hù)工藝的改進(jìn)

張記華

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司店坪煤礦調(diào)度室， 山西 方山 033100）

引言

煤礦生產(chǎn)包括掘進(jìn)和回采兩個(gè)階段的工藝，掘進(jìn)效率和巷道的成型質(zhì)量直接決定后期回采階段的生產(chǎn)效率與安全性。目前，追求煤巷的快速、安全掘進(jìn)尤為重要。超前臨時(shí)支護(hù)是保證煤巷快速掘進(jìn)的基礎(chǔ)，當(dāng)前煤礦超前臨時(shí)支護(hù)由于自動(dòng)化程度偏低且支護(hù)速度較慢，導(dǎo)致其無(wú)法與錨網(wǎng)支護(hù)相互協(xié)調(diào)高效配合達(dá)到快速掘進(jìn)的目的[1]。除此之外，選擇合理、高效的掘進(jìn)工藝也尤為重要。本文重點(diǎn)對(duì)煤巷快速掘進(jìn)工藝和臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以保證煤礦掘進(jìn)的高效性和安全性。

1 影響煤巷快速掘進(jìn)效率的主要因素

從理論上講，影響煤巷快速掘進(jìn)效率的主要因素包括機(jī)械設(shè)備的選型、工程地質(zhì)條件、施工工藝、掘進(jìn)工藝及臨時(shí)支護(hù)等。除此之外，可全面地將影響煤巷掘進(jìn)效率的因素進(jìn)行羅列，如圖1 所示。

圖1 影響煤巷掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素

1）涉及煤巷掘進(jìn)的機(jī)械設(shè)備包括掘進(jìn)機(jī)、錨桿鉆機(jī)、運(yùn)輸設(shè)備。目前，應(yīng)用于煤巷開(kāi)拓的掘進(jìn)機(jī)以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，國(guó)產(chǎn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)存在刀具磨損嚴(yán)重、維護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等缺陷，最終導(dǎo)致掘進(jìn)效率不高且采掘比例失調(diào)的問(wèn)題。同時(shí)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)缺乏基于刀具切割巖石判斷工作狀態(tài)的技術(shù)[2]。雖然錨桿鉆機(jī)已經(jīng)集成于懸臂式掘進(jìn)機(jī)中，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)遠(yuǎn)距離操作下的精準(zhǔn)定位，這也是影響掘進(jìn)效率和安全生產(chǎn)的主要因素。可應(yīng)用于煤巷掘進(jìn)的輸送機(jī)包括刮板輸送機(jī)、伸縮式膠帶輸送機(jī)、礦車(chē)、梭式采礦車(chē)等，各煤礦需結(jié)合實(shí)際情況合理選擇最佳運(yùn)輸設(shè)備。

2）在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免與斷層、節(jié)理發(fā)育不良等地質(zhì)路段接觸；若無(wú)法避免，應(yīng)提前作預(yù)案，并采用最新的掘進(jìn)工藝和方法完成掘進(jìn)任務(wù)。

3）結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的掘進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)備能力，可采用的掘進(jìn)施工工藝包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)和單體錨桿鉆機(jī)相互配合的施工工藝、以采煤機(jī)和獨(dú)立錨桿鉆機(jī)相互配合的施工工藝及通過(guò)掘錨一體化機(jī)組完成掘進(jìn)施工[3]。各種掘進(jìn)施工工藝各有利弊，需綜合煤巷地質(zhì)條件和生產(chǎn)任務(wù)綜合確定。

4）以掘進(jìn)機(jī)為核心的掘進(jìn)工藝需經(jīng)歷大約11道工序，且巷道的截面一般以矩形為主。以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主的掘進(jìn)工序如圖2 所示。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工序（單位：mm）

采用如圖2 所示的懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工序具有施工便捷性好、組織協(xié)調(diào)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；但是，該工藝對(duì)煤巷的地質(zhì)條件要求較高，主要適用于對(duì)硬煤巷、巖巷的掘進(jìn)，并在掘進(jìn)前期采用超前支護(hù)，以保證掘進(jìn)的安全性。

5）針對(duì)懸臂式掘進(jìn)工藝涉及的超前支護(hù)技術(shù)包括前探梁支護(hù)、機(jī)載臨時(shí)支護(hù)及自移式邁步支架支護(hù)技術(shù)等。目前，針對(duì)懸臂式掘進(jìn)工藝的超前支護(hù)主要存在不被重視、支護(hù)速度慢等問(wèn)題，導(dǎo)致最終支護(hù)效果不佳。

結(jié)合上述對(duì)影響煤巷快速掘進(jìn)效率的主要因素進(jìn)行分析，本文重點(diǎn)從掘進(jìn)工藝和臨時(shí)支護(hù)設(shè)備兩方面進(jìn)行改進(jìn)，以提升煤巷的掘進(jìn)速度。

2 煤巷快速掘進(jìn)工藝的改進(jìn)

本文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為核心的掘進(jìn)工藝展開(kāi)研究，掘進(jìn)機(jī)切割路徑是影響掘進(jìn)效率的主要掘進(jìn)工藝之一。目前，可采用的掘進(jìn)機(jī)切割路徑包括蛇形、回形及螺旋形三種。本節(jié)將采用數(shù)值模擬分析的手段對(duì)三種不同掘進(jìn)機(jī)切割路徑下對(duì)應(yīng)的煤巷頂板和兩幫所承受的垂直應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定出適用于研究工作面的最佳掘進(jìn)切割路徑[4]。

本文所研究煤巷采用的掘進(jìn)機(jī)具體型號(hào)為EBZ160A，該型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的最大截割功率為250 kW，最大掘進(jìn)高度和寬度分別為4.8 m、5.6 m，可適用的坡度為±16°。所應(yīng)用煤巷的地質(zhì)條件參數(shù)如表1 所示。

表1 煤巷地質(zhì)條件參數(shù)匯總

基于Midas GRS NX 軟件并結(jié)合所研究煤巷的實(shí)際情況建立數(shù)值模擬模型，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件參數(shù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)不同切割路徑對(duì)應(yīng)掘進(jìn)工藝的頂板和兩幫平均垂直應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 不同切割路徑對(duì)應(yīng)推進(jìn)方式下平均垂直應(yīng)力

由表2 所示，回形切割路徑從上至下和從下至上兩種推進(jìn)方式對(duì)應(yīng)頂板與兩幫的平均垂直應(yīng)力均為最大值；而螺旋形切割路徑和蛇形切割路徑中的從上至下推進(jìn)方式的平均垂直應(yīng)力相近；蛇形切割路徑中對(duì)應(yīng)的從下至上推進(jìn)方式的平均垂直應(yīng)力最小。因此，適用于本文所研究煤巷的最佳掘進(jìn)工藝為蛇形切割路徑中的從下至上的推進(jìn)方式。

3 臨時(shí)支護(hù)工藝的改進(jìn)

為保證最終煤巷掘進(jìn)效率和安全性，要求臨時(shí)支護(hù)工藝與所采用的掘進(jìn)工藝相互配套。結(jié)合本煤巷所采用的蛇形切割工藝的從下至上的推進(jìn)方式，本工程擬將臨時(shí)支護(hù)工藝與永久支護(hù)工藝相互融合，最終達(dá)到節(jié)約支護(hù)時(shí)間、提升支護(hù)效果、快速掘進(jìn)的目的[5]。

所謂臨時(shí)和永久支護(hù)相互融合指的是，將臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)中相類(lèi)似的工序，包括掛網(wǎng)、鋼帶托盤(pán)布設(shè)、鉆孔定位及錨桿鉆機(jī)的移機(jī)等均融合至臨時(shí)支架中。支護(hù)“合二為一”的工藝可以在掘進(jìn)機(jī)邊掘進(jìn)邊施工，不僅可以省去獨(dú)立的臨時(shí)支護(hù)時(shí)間，還可以對(duì)永久支護(hù)工序進(jìn)行簡(jiǎn)化。實(shí)踐表明，支護(hù)“合二為一”工藝可將永久支護(hù)施工縮短1/4 的周期，大大提升了掘進(jìn)效率，降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

煤巷掘進(jìn)效率、安全性及最終的巷道成型質(zhì)量是影響煤巷后期回采效率和安全性的主要因素。為實(shí)現(xiàn)煤巷的快速掘進(jìn)任務(wù)，需對(duì)涉及的掘進(jìn)設(shè)備、施工工藝、掘進(jìn)工藝、臨時(shí)支護(hù)形式及地質(zhì)條件綜合分析，最終選擇最佳的掘進(jìn)工藝。本文重點(diǎn)針對(duì)影響掘進(jìn)效率的因素對(duì)其中的掘進(jìn)工藝和支護(hù)工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并總結(jié)如下：

1）通過(guò)對(duì)回形、蛇形及螺旋形三種切割路徑下不同推進(jìn)方式對(duì)應(yīng)煤巷頂板和兩幫的平均垂直應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，得出適用于本煤礦的最佳掘進(jìn)工藝為蛇形切割路徑下對(duì)應(yīng)的從下至上的推進(jìn)方式。

2）將掛網(wǎng)、鋼帶托盤(pán)布設(shè)、鉆孔定位及錨桿鉆機(jī)的移機(jī)永久支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)相融合，達(dá)到節(jié)約支護(hù)時(shí)間、降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。