煤礦井下高速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究

苗亞楠

(山西晉煤集團(tuán)澤州天安葦町煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

引 言

煤炭作為我國工業(yè)化發(fā)展的能源保障，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著核心地位，煤炭在開采過程中需要進(jìn)行大量的支護(hù)和掘進(jìn)作業(yè)，特別是隨著綜采作業(yè)深度的不斷增加，井下地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，巷道圍巖不穩(wěn)定性加劇，目前均是通過加大頂錨桿的支護(hù)密度來增加巷道支護(hù)穩(wěn)定性，但支護(hù)密度的增加不僅導(dǎo)致支護(hù)效率降低，而且還會(huì)導(dǎo)致支護(hù)成本的上升。在傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中首先是是進(jìn)行巷道切割，然后再逐次進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，巷道成型效率低，質(zhì)量差，在掘進(jìn)作業(yè)過程中多數(shù)工作采用了串行作業(yè)方式，一定程度上也影響了井下巷道掘進(jìn)作業(yè)效率[1]。針對(duì)目前井下掘進(jìn)作業(yè)所暴露出來的影響巷道掘進(jìn)效率的因素，本文利用FLAC3D模擬分析軟件對(duì)巷道頂板支護(hù)方案進(jìn)行了模擬分析，確定了最佳的頂板錨桿排距，降低了井下支護(hù)作業(yè)工作量，將支護(hù)時(shí)間降低了17%。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)需求，提出了“自下往上”的“S”型截割路徑，有效改善了目前巷道掘進(jìn)時(shí)需要反復(fù)截割修正的掘進(jìn)作業(yè)方式，同時(shí)通過多掘進(jìn)作業(yè)工序的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了多工序并行作業(yè)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明該快速掘進(jìn)技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了將井下掘進(jìn)效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道掘進(jìn)的效率和穩(wěn)定性。

1 頂板錨桿排距優(yōu)化

在煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中，巷道頂板支護(hù)時(shí)錨桿的支護(hù)排距對(duì)確保巷道圍巖安全和掘進(jìn)效率具有十分重要的意義，過密的錨桿排距雖然有利于提升圍巖穩(wěn)定性，但也會(huì)顯著的增加支護(hù)成本、降低支護(hù)效率，因此要提升井下掘進(jìn)效率，首先要對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化，在確保支護(hù)安全的情況下，降低支護(hù)成本，提高支護(hù)效率。

FLAC3D模擬分析軟件，是一種三維受力模擬分析軟件，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。以煤礦井下典型掘進(jìn)巷道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其巷道斷面呈矩形，寬約6 200 mm，高約7 900 mm，巷道頂板為砂質(zhì)泥巖層，遇水容易膨脹，容易發(fā)生頂板垮塌事故，整體圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，支護(hù)時(shí)頂板錨桿的排距為800 mm，間距極為密集，支護(hù)效率較低。利用FLAC3D模擬分析軟件[2]對(duì)頂板排距為800 mm、1 000 mm、1 200 mm情況下的支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而確定最佳支排距，不同錨距情況下的受力情況，如第139頁圖1所示。

由圖1a)～c)可知，當(dāng)錨間距為800 mm的情況下，當(dāng)出現(xiàn)礦壓波動(dòng)時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)的最大應(yīng)力為38.63 MPa，當(dāng)錨間距為1 000 mm的情況下，當(dāng)出現(xiàn)礦壓波動(dòng)時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)的最大應(yīng)力為53.90 MPa，當(dāng)錨間距為1 200 mm的情況下，當(dāng)出現(xiàn)礦壓波動(dòng)時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)的最大應(yīng)力為62.35 MPa，由此可知，隨著錨間距的增大，支護(hù)系統(tǒng)在礦壓波動(dòng)下的受力越來越大，不穩(wěn)定性越來越高，當(dāng)錨桿間距超過1 000 mm時(shí)，礦壓波動(dòng)下的應(yīng)力變化較小。由圖1d)可知，隨著錨間距的增加頂板下沉量和兩幫移近量均逐漸增大，當(dāng)超過1 000 mm后變形量迅速增加。由此分析可知，當(dāng)錨間距設(shè)置為1 000 mm時(shí)就有最佳的綜合支護(hù)效果。根據(jù)在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用可知，優(yōu)化錨間距后，相同支護(hù)條件下的支護(hù)時(shí)間降低了17%，顯著提升了煤礦井下的支護(hù)效率和安全性。

圖1 不同錨間距情況下的應(yīng)力及巷道變形量

2 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀方式及作業(yè)流程優(yōu)化

傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中，掘進(jìn)機(jī)一般先對(duì)巷道截割出一個(gè)大概的輪廓，然后再根據(jù)井下的實(shí)際情況不斷的修正，直到滿足巷道輪廓質(zhì)量要求，在操作過程中存在著較大的隨機(jī)性，而且反復(fù)的修型也嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)效率，因此根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的截割特性，提出了一種新的“S”型截割路徑[3]，掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)先從巷道的下側(cè)開始截割作業(yè)，然后逐次向上，最后進(jìn)行擴(kuò)幫，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)的一次成型，新的掘進(jìn)機(jī)一次成型截割路徑，如圖2所示。

圖2 “S”型一次截割成型路徑示意圖

在傳統(tǒng)掘進(jìn)方案中，井下巷道的支護(hù)及掘進(jìn)作業(yè)為串行作業(yè)方式，巷道完全支護(hù)完成后才進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，掘進(jìn)支護(hù)分離作業(yè)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率低，對(duì)井下掘進(jìn)作業(yè)速度影響較大，因此本文提出了井下平行作業(yè)模式，在確保掘進(jìn)安全的情況下提升掘進(jìn)效率。通過對(duì)掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)流程分析，最終提出了采用滯后迎頭一段距離后弱化支護(hù)技術(shù)。在支護(hù)過程中，首先穩(wěn)定性最差的頂板和頂角處設(shè)置錨桿，然后將頂板錨桿在離巷道迎頭約30 m處進(jìn)行滯后安裝，該安裝是在掘進(jìn)機(jī)后面完成的，不影響掘進(jìn)機(jī)的正常掘進(jìn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)支護(hù)的同時(shí)進(jìn)行，提升了掘進(jìn)機(jī)的開機(jī)率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將安裝錨桿、延長(zhǎng)電纜、維護(hù)掘進(jìn)機(jī)等的同時(shí)平行作業(yè)[4]，作業(yè)示意圖如圖3所示。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明采用巷道截割方式優(yōu)化及平行作業(yè)后，將井下掘進(jìn)效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道的掘進(jìn)效率和質(zhì)量。

圖3 多工序平行作業(yè)示意圖

3 結(jié)語

針對(duì)圍巖穩(wěn)定性差的缺陷，嚴(yán)重限制了煤礦井下巷道掘進(jìn)效率提升的難題。對(duì)煤礦井下高速掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了分析，采用仿真分析的方法確定了最佳頂錨桿支護(hù)排距，同時(shí)通過優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割路徑、實(shí)行多工序平行作業(yè)等綜合手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下掘進(jìn)作業(yè)效率的有效提升，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1) 當(dāng)錨間距設(shè)置為1 000 mm時(shí)就有最佳的綜合支護(hù)效果。根據(jù)在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用可知，優(yōu)化錨間距后，相同支護(hù)條件下的支護(hù)時(shí)間降低了17%，顯著提升了煤礦井下的支護(hù)效率和安全性。

2) 新的“S”型截割路徑情況下，掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)先從巷道的下側(cè)開始截割作業(yè)，然后逐次向上，最后進(jìn)行擴(kuò)幫，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)的一次成型，能夠顯著提升巷道成型質(zhì)量和效率；

3) 采用巷道截割方式優(yōu)化及平行作業(yè)后，能夠?qū)⒕戮蜻M(jìn)效率提升27.5%以上，顯著提升了井下巷道的掘進(jìn)效率和質(zhì)量。