礦井智能化高速掘進技術(shù)研究

安鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

引言

近年來，煤礦井下單產(chǎn)水平顯著提升，井下巷道掘進效率是限制綜采效率整體提升的關(guān)鍵因素之一，尤其是一些地質(zhì)情況較為復(fù)雜、大深度的礦井，傳統(tǒng)的支護方案已難以實現(xiàn)穩(wěn)固可靠的支護，巷道的掘進方案不夠穩(wěn)定，這些都影響著巷道掘進效率的進一步突破。本文對井下巷道的掘進過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)限制巷道掘進效率的因素包括井下綜掘面上各個工序之間的配合方式、井下巷道的支護方式以及掘進機的掘進方案等，根據(jù)影響因素提出能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件的截割作業(yè)優(yōu)化方案、多工序并行綜掘作業(yè)方案和錨網(wǎng)索支護+注漿加固方案并展開分析。

1 巷道掘進效率影響因素分析

晉能控股煤業(yè)集團某礦9 號煤層地質(zhì)條件如下：井下巷道煤層均厚5.2 m，頂板、圍巖主要為泥巖以及砂質(zhì)泥巖，巷道凈斷面截面積18.5 m2，掘進過程中頂板承受較大的周期性壓力，使得垮度增大，導(dǎo)致頂板下沉、支護錨桿斷裂，巷道掘進速度較低，僅為4.3 m/d，掘進過程中頂板下沉量最大為142.3 mm 左右，兩幫位移量最大為179.5 mm 左右，難以實現(xiàn)既定的可靠支護的要求[1]。對井下巷道掘進工藝流程進行研究可知，限制巷道掘進效率提升的原因有以下幾方面：

1）巷道掘進方案不合理。根據(jù)井下地質(zhì)情況的不同可將巷道頂板分為完整態(tài)和頂板破碎態(tài)兩種情況，巷道掘進過程中，掘進機通常使用順時針的巷道截割方案，使得處于破碎態(tài)的頂板時常出現(xiàn)塌方等現(xiàn)象，限制了巷道掘進效率的提升。

2）施工工序分布不合理。井下綜掘面上有大量的設(shè)備和人員進行作業(yè)，相互之間需要協(xié)調(diào)配合，但是相關(guān)管理模式并不完善使得實際作業(yè)過程中，大多數(shù)工序都采用串行作業(yè)的方式進行，各工序之間互相影響導(dǎo)致巷道掘進效率難以提升、安全性難以保障。

3）支護方案不合理。掘進過程中頂板需要承受較大的周期性礦壓，因此需要進行安全牢固的支護，當前使用的是傳統(tǒng)的單錨桿支護方式，支護過程中需要施加較多的補強支護以及錨固劑，錨固劑需要一定的凝固時間，導(dǎo)致整體掘進效率難以提升。

2 巷道掘進方案優(yōu)化

井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜導(dǎo)致巷道頂板存在完整區(qū)和破碎區(qū)，傳統(tǒng)的掘進方案通常使用掘進機一次掘進成型，頂板的破碎區(qū)會出現(xiàn)局部塌方等現(xiàn)象導(dǎo)致大量的落石堆積在巷道中，需要及時清理，導(dǎo)致巷道的掘進效率受到限制，因此，根據(jù)井下地質(zhì)情況，提出了一種巷道掘進優(yōu)化方案，使用短掘短支的方式，依照巷道的具體情況，進行截割路徑的優(yōu)化。

掘進機采用懸臂式掘進機，懸臂式掘進機特點是截齒密實以及單軸抗壓能力強等，進刀位置擬定為煤巖結(jié)合處，截割順序依次為煤炭和巖層，整個截割過程穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，掘進截割路徑如下頁圖1 所示，圖中數(shù)值為路徑標識，根據(jù)礦井的實際地質(zhì)條件選取合適的截割路徑，避免了頂板破碎區(qū)過多的塌方現(xiàn)象，減少了落石的清理時長，顯著提升了掘進效率以及安全性[2]。

圖1 不同地址條件下截割路徑示意圖

3 施工工序優(yōu)化

傳統(tǒng)掘進過程中，安裝頂部錨桿以及幫部錨桿、掘進設(shè)備維護及延長同機電纜等工序在綜掘面上采用串行的方式進行作業(yè)，保證了綜掘面上的工作人員數(shù)量不至過多，但是也降低了巷道的掘進效率，在此基礎(chǔ)上對于各個掘進工序進行分析，整個工作流程進行科學(xué)合理的布置，部分工序合并進行，完成了多工序平行作業(yè)的目標，顯著提高了井下巷道的掘進效率，多工序平行作業(yè)圖如下頁圖2 所示。

圖2 多工序平行作業(yè)圖

4 支護方案優(yōu)化

傳統(tǒng)的單錨桿支護方案中，相鄰錨桿間排距為1 000 mm、1 000 mm，錨桿數(shù)量多、支護成本高、作業(yè)流程復(fù)雜，限制了掘進效率的提升，根據(jù)巷道的實際構(gòu)造，提出使用錨網(wǎng)索支護+注漿加固方案，相關(guān)支護參數(shù)如下頁表1 所示。此外，為了保障巷道支護的牢固穩(wěn)定，相鄰錨桿間使用圓鋼進行焊接，能夠適應(yīng)周期性的礦壓波動[3]。

表1 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護參數(shù)

使用ZBQS-12/10 型便攜式注漿泵完成注漿，為了降低凝固耗時，選用快速速凝材料注漿，具體注漿參數(shù)如表2 所示。使用交錯注漿的方式，提升注漿效果，通過袋式封孔的方式保證注漿后的快速封孔，提升注漿在巖層內(nèi)圈的滲透效果。

表2 注漿加固參數(shù)

使用錨網(wǎng)索支護+注漿加固的方案支護較為牢固、經(jīng)濟成本較低，顯著提升了巷道支護的可靠性。

5 應(yīng)用效果分析

為了測試優(yōu)化后的巷道掘進方案的實際效果，在巷道內(nèi)進行十字布點的方式，分別支護巷道頂板以及幫部，使用優(yōu)化后的掘進方案變形量如圖3 所示。

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后的支護方案，巷道頂板最大變形量是39 mm 左右，相較于原來的142.3 mm 下降了71.5%，巷道幫部最大變形量是28 mm 左右，相較于原來的179.5 mm 下降了83.3%，巷道支護的穩(wěn)定性、可靠性得到了明顯的提升。使用優(yōu)化后的掘進方案，巷道的掘進效率為6.4 m/d，相較于原來的4.3 m/d 提高了31.6%，井下巷道的掘進效率得到了顯著的提高。

圖3 頂板及巷幫變形量

6 結(jié)論

1）影響巷道掘進效率提升的因素包括巷道掘進方案不合理、施工工序分布效率低以及支護不穩(wěn)定。

2）優(yōu)化后的掘進機截割路徑顯著減少了掘進過程中頂板破碎區(qū)塌方問題，有效地提升了巷道掘進作業(yè)時的穩(wěn)定性，減少了落石的清理時長，顯著提升了掘進效率及安全性。

3）使用錨網(wǎng)索支護+注漿加固方案，支護效果較好、經(jīng)濟成本較低，顯著提高了巷道支護的穩(wěn)定性。

4）優(yōu)化后的巷道掘進方案相較于原方案，巷道掘進效率提升31.6%、巷道頂板下沉量降低71.5%、巷道幫部位移量降低83.3%。