煤巷快速掘進(jìn)工藝及臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的改進(jìn)

許文林

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)溝煤礦， 山西 和順 032700）

引言

煤礦巷道的掘進(jìn)效率和最終巷道的成型質(zhì)量直接決定煤礦的生產(chǎn)能力。但是，我國(guó)煤礦生產(chǎn)中巷道掘進(jìn)和煤層開(kāi)采匹配度較差，即巷道掘進(jìn)效率遠(yuǎn)低于開(kāi)采效率。因此，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的快速掘進(jìn)對(duì)于進(jìn)一步提升煤礦的生產(chǎn)能力具有重要意義[1]。與此同時(shí)，煤礦巷道在掘進(jìn)過(guò)程中也需要對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)，才能對(duì)巷道掘進(jìn)起到正向作用。

1 1017 工作面工程概況

1017 工作面的切眼長(zhǎng)度為180 m，可采煤儲(chǔ)量為111.6 萬(wàn)t。煤層厚度為4.90～5.91 m，平均厚度為5.7 m；煤層傾角范圍為-2°～-8°，平均傾角為-5°。1017 工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

經(jīng)探測(cè)，1017 工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為89 m3/min；工作面的最大涌水量可達(dá)15 m3/h，正常涌水量為6 m3/h。目前，工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式放頂煤一次全采高全部垮落式綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝。

2 煤巷掘進(jìn)工藝的改進(jìn)

目前，1017 工作面所采用的掘進(jìn)機(jī)型號(hào)為EBZ160A，該型掘進(jìn)機(jī)可掘進(jìn)巷道的斷面面積為27m2，可掘進(jìn)的巷道的最大高度為4.8 m，可掘進(jìn)的工作面最大寬度為5.6 m，可在坡度為16°的工作面開(kāi)展掘進(jìn)任務(wù)。影響巷道掘進(jìn)效率的主要因素包括有所采取的切割路徑和支護(hù)的工藝。

目前看來(lái)，應(yīng)用于掘進(jìn)工作面的切割路徑包括有蛇形切割路徑、回形切割路徑和螺旋形切割路徑。其中，蛇形切割路徑可以分為自上而下和自下而上，以自上而下為例一般的切割工藝流程為：清掃場(chǎng)地→切割巖層→橫向掏槽→迂回切割。回形切割路徑可以分為順回和逆回兩種方式[2]。螺旋形切割路徑對(duì)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的素質(zhì)要求較高，司機(jī)需同時(shí)對(duì)水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。本小節(jié)將結(jié)合1017 工作面的實(shí)際情況建立模型，并分別對(duì)比上述三種不同切割路徑優(yōu)劣勢(shì)。

2.1 蛇形切割路徑仿真分析

主要對(duì)蛇形切割路徑的自上而下和自下而上兩種切割方式的巷道成型質(zhì)量和切割過(guò)程中的應(yīng)力變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，采用自上而下的路徑進(jìn)行切割時(shí)，巷道的變形量大于采用自下而上切割路徑的情況；同時(shí)，自上而下路徑對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力大于自下而上切割路徑的情況。因此，對(duì)于蛇形切割路徑而言，應(yīng)采用自上而下的切割路徑[3]。

2.2 回形切割路徑仿真分析

對(duì)于回形切割路徑而言，主要對(duì)比順回形和逆回形兩種切割方式對(duì)應(yīng)切割過(guò)程中巷道的平均應(yīng)力，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 回形切割路徑仿真結(jié)果 MPa

如表3 所示，回形切割路徑下巷道頂板的平均應(yīng)力在兩種切割方式下相差不大；不同的是，逆回形切割方式下兩幫的平均應(yīng)力小于順回形切割方式。因此，采用逆回形切割方式更有利于對(duì)保證巷道的穩(wěn)定性。

2.3 螺旋形切割路徑仿真分析

對(duì)于螺旋形切割路徑而言，在其螺旋形推進(jìn)方式下對(duì)巷道頂板和兩幫的平均垂直應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 螺旋形切割路徑對(duì)巷道頂板和兩幫的垂直應(yīng)力 MPa

對(duì)比表2、表3、表4 的仿真結(jié)果可知：回形切割路徑對(duì)應(yīng)的巷道頂板和兩幫的平均應(yīng)力最大；而蛇形切割路徑對(duì)應(yīng)的自下而上的切割方式對(duì)巷道頂板和兩幫的平均應(yīng)力均小于螺旋形切割路徑的情況，即更有利于保證掘進(jìn)期間巷道的穩(wěn)定性。綜上所述，采用蛇形自下而上的切割方式對(duì)1017 工作面的巷道進(jìn)行切割。

3 巷道快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的改進(jìn)

為保證巷道的掘進(jìn)效率可在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中采用臨時(shí)支護(hù)設(shè)備對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。目前，實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中所采用的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備并不能夠真正解決采掘比例失調(diào)的問(wèn)題，即對(duì)應(yīng)巷道掘進(jìn)效率提升幅度不明顯。而在掘進(jìn)機(jī)過(guò)程中采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式不僅降低了掘進(jìn)效率，而且還增加了支護(hù)成本。

因此，為進(jìn)一步增加巷道的掘進(jìn)效率應(yīng)重點(diǎn)解決當(dāng)前臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的兩項(xiàng)問(wèn)題：第一，解決當(dāng)前臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要依靠人工完成支護(hù)，并未達(dá)到機(jī)械化支護(hù)的水平；第二，掘進(jìn)設(shè)備和臨時(shí)支護(hù)設(shè)備為相互獨(dú)立的個(gè)體。基于上述兩項(xiàng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題對(duì)現(xiàn)階段的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)合1017 巷道的斷面尺寸和掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，設(shè)定臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的寬度應(yīng)控制在3100～6100 mm，保證其能夠根據(jù)巷道寬度進(jìn)行自行調(diào)整；臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的支護(hù)高度控制在2600～4500 mm 之間，可根據(jù)欠挖或超挖的情況對(duì)支護(hù)高度進(jìn)行調(diào)整。按照最危險(xiǎn)的情況考慮，當(dāng)巷道頂板的圍巖全部垮落至臨時(shí)支護(hù)設(shè)備上方時(shí)對(duì)應(yīng)的支撐應(yīng)力不得小于0.069MPa。

結(jié)合上述分析基礎(chǔ)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)出臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備三維結(jié)構(gòu)圖

在圖1 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)上加裝錨桿鉆機(jī)，從而減少了作業(yè)人員搬移錨桿鉆機(jī)的工作量，直接提高了支護(hù)效率；而且，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備所加裝的自動(dòng)找平結(jié)構(gòu)可以保證設(shè)備對(duì)各種復(fù)雜工作面進(jìn)行支護(hù)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)仿真分析可知，采用蛇形切割路徑的自下而上切割方式回形和螺旋形切割路徑下對(duì)應(yīng)巷道頂板和兩幫的平均垂直應(yīng)力小，更有利于保證巷道的穩(wěn)定。因此，1017 工作面采用蛇形切割路徑的自下而上切割方式為最佳；

2）所設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備寬度應(yīng)控制在3100～6100 mm，護(hù)高度控制在2600～4500 mm 之間，支撐應(yīng)力不得小于0.069 MPa。同時(shí)，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)能夠降低作業(yè)人員的勞動(dòng)效率，提高掘進(jìn)效率。