煤巷快速掘進(jìn)工藝系統(tǒng)的研究

李子長(zhǎng)

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

多種因素影響著煤礦巷道的快速掘進(jìn)，軟巖巷道由于巖層強(qiáng)度低導(dǎo)致提高掘進(jìn)速度難度大。通過(guò)力學(xué)理論、強(qiáng)度支護(hù)理論、錨桿的預(yù)應(yīng)力和圍巖的相互作用理論可以有效控制巷道的變形，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的困難巷道，采用一次性及時(shí)支護(hù)便可達(dá)到控制圍巖變形和破壞的目的[1-3]；礦井可根據(jù)自身情況，設(shè)計(jì)研究成套的掘進(jìn)設(shè)備和支護(hù)設(shè)備，根據(jù)實(shí)際測(cè)試參數(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等進(jìn)行掘進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)化；優(yōu)化支護(hù)工藝可以有效控制圍巖變形，加快巷道的掘進(jìn)速度；分析巷道類(lèi)型及特點(diǎn)，利用強(qiáng)力錨桿支護(hù)理論對(duì)軟巖巷道以及埋深較深的掘進(jìn)巷道進(jìn)行支護(hù)，加固了破碎巖體，增強(qiáng)了巷道的承載能力，通過(guò)礦業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋和分析，確定了強(qiáng)力錨桿支護(hù)理論的優(yōu)越性。大量實(shí)踐表明，在進(jìn)行強(qiáng)力錨桿支護(hù)時(shí)，配合注漿加固工藝能更好地控制巷道的變形，提高圍巖的整體性[4-6]。本文從切割工藝入手，分析了不同切割工藝下巷道圍巖的受力特征，為軟巖巷道掘進(jìn)工藝的選擇提供了依據(jù)。

1 快速掘進(jìn)影響要素研究

巷道掘進(jìn)施工是多工序多時(shí)空的復(fù)雜交替施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高效安全的掘進(jìn)，要使各個(gè)工序之間必須協(xié)調(diào)起來(lái)且每個(gè)工序都能高效率的實(shí)施。所以，巷道的快速掘進(jìn)就是采用合適的掘進(jìn)設(shè)備以及適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方案，在合理的管理下實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序之間流暢、高效率的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)高效率的掘進(jìn)目標(biāo)。

在實(shí)際的巷道掘進(jìn)過(guò)程中，影響因素多種多樣，主要分為人為因素、設(shè)備因素、地質(zhì)條件以及作業(yè)方法四個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 影響巷道快速掘進(jìn)的因素

1）在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，人為因素至關(guān)重要。在施工的過(guò)程中，進(jìn)行人員的管理和責(zé)任的分配同等重要。由于工人責(zé)任心、專(zhuān)業(yè)知識(shí)匱乏帶來(lái)的負(fù)面案例不勝枚舉，在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的維護(hù)工作中，很多工人對(duì)設(shè)備的工作原理、性能結(jié)構(gòu)以及故障原因都不熟悉，造成了設(shè)備維修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；在掘進(jìn)的過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)師傅對(duì)掘進(jìn)速度以及掘進(jìn)質(zhì)量的把控直接影響著掘進(jìn)效益。為此，提高機(jī)電維修工人以及掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)可以保障設(shè)備的質(zhì)量，滿足掘進(jìn)的及時(shí)性，通過(guò)以人為本的思想提高工人的素質(zhì)，是快速掘進(jìn)技術(shù)的有力保障。

2）掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)的重要設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)性能的好壞直接影響了掘進(jìn)的速度。煤礦應(yīng)該根據(jù)巷道巖性等特點(diǎn)選擇合適的掘進(jìn)機(jī)；在支護(hù)設(shè)備方面，單體錨桿鉆機(jī)是重要的巷道支護(hù)設(shè)備，因?yàn)樵撛O(shè)備主要依賴人力進(jìn)行施工，因此作業(yè)水平很低，當(dāng)進(jìn)行煤巷的掘進(jìn)時(shí)，為了快速保證支護(hù)有效，工人往往通過(guò)縮小循環(huán)進(jìn)尺的方式進(jìn)行錨桿作業(yè)，最終使得掘進(jìn)速度降低；此外，掘進(jìn)零件供應(yīng)不足、質(zhì)量差以及惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力低也是影響掘進(jìn)的重要因素。

3）地質(zhì)條件的復(fù)雜性是影響掘進(jìn)速度的因素。如果地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖性堅(jiān)硬，頂?shù)装灏l(fā)育不完全，瓦斯涌出量較大時(shí)，巷道的掘進(jìn)速度就會(huì)無(wú)限期放慢，掘進(jìn)后的煤體松散，支護(hù)困難；如果地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度快，巷道維護(hù)時(shí)間短。

4）掘進(jìn)工藝也是影響掘進(jìn)速度的因素之一。在實(shí)際的掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)效率的低下往往是長(zhǎng)時(shí)間的體力勞動(dòng)導(dǎo)致工人的積極性降低所致。采用三班采掘一班檢修的方式可以很好地緩解這一問(wèn)題；在實(shí)際的工作中，臨時(shí)支護(hù)的時(shí)間往往很短，但是因?yàn)榕R時(shí)支護(hù)效果差導(dǎo)致后期永久支護(hù)困難大，工作面掩護(hù)支架技術(shù)可以有效避免臨時(shí)支護(hù)帶來(lái)的滯后割煤現(xiàn)象；當(dāng)巷道埋藏較深時(shí)，支護(hù)越來(lái)越困難，當(dāng)頂板條件較好時(shí)，可采用錨桿錨索支護(hù)，當(dāng)頂板比較破碎時(shí)，采用金屬支架支護(hù)可以有效避免巷道的變形。

2 截割軌跡的建模與仿真

針對(duì)煤巷快速掘進(jìn)的影響因素，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析掘進(jìn)機(jī)不同截割軌跡下的截割效果，通過(guò)圍巖的穩(wěn)定性分析間接確定合適的截割軌跡。本文數(shù)值模型的尺寸為55 m×45 m×40 m，共99 000個(gè)單元體，設(shè)置模型的上表面為邊界，側(cè)面以及底面為法向移動(dòng)，上覆巖層的重量通過(guò)施加8 MPa的方式進(jìn)行模擬，測(cè)壓系數(shù)為1.1，模擬巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖層力學(xué)性能參數(shù)

在巷道的掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)不同的截割軌跡導(dǎo)致不同的截割效果，掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，掘進(jìn)斷面一般是按照從左到右、自上而下的動(dòng)作進(jìn)行截割作業(yè)，當(dāng)截割軌跡呈現(xiàn)“S”形時(shí)稱(chēng)為“S”形切割軌跡，當(dāng)截割軌跡呈現(xiàn)螺旋線時(shí)稱(chēng)為螺旋線型切割軌跡。對(duì)不同截割軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，按照從上之下，從左到右的規(guī)律進(jìn)行巷道的推進(jìn)來(lái)研究掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性。因此得到了圖2所示的掘進(jìn)機(jī)“S”形切割軌跡下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖和圖3所示的掘進(jìn)機(jī)螺旋線切割軌跡下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖。從圖2中可以看出，在巷道掘進(jìn)初期，受擾動(dòng)影響，掘進(jìn)頭所受垂直應(yīng)力較大，隨著掘進(jìn)面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力值逐漸減小，直至與上覆巖層的重力值相等，處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道兩幫與頂板受力特征不同，兩幫處的垂直應(yīng)力值一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較小。從圖3中可以看出，采用螺旋截割工藝時(shí)，初始掘進(jìn)時(shí)期，巷道的垂直應(yīng)力值較大，隨著掘進(jìn)面的不斷推進(jìn)，頂板垂直應(yīng)力值在一定范圍內(nèi)減小，當(dāng)下降到一定值后又重現(xiàn)上升至較高的數(shù)值，而巷道兩幫的受力變化范圍大且處于高應(yīng)力值狀態(tài)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)“S”形切割軌跡下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖3 掘進(jìn)機(jī)螺旋線切割軌跡下巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖

不同截割次數(shù)下巷道受力值差別大，為了驗(yàn)證上述模擬結(jié)果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)中煤層平均厚度為2.5 m，煤層頂板為細(xì)砂巖和中砂巖，直接頂為泥巖，基本頂為細(xì)砂巖。得到了如表2的不同截割軌跡下掘進(jìn)頭以及巷道兩幫的垂直應(yīng)力表。

表2 不同截割軌跡下掘進(jìn)頭以及巷道兩幫的垂直應(yīng)力表

綜上所述，通過(guò)“S”形和螺旋線切割軌跡下圍巖的應(yīng)力值分析得到，“S”形切割下巷道頂板以及兩幫受力穩(wěn)定，螺旋線軌跡多次切割時(shí)，頂板以及兩幫出現(xiàn)了應(yīng)力值突增的現(xiàn)象，不利于掘進(jìn)工作進(jìn)行的同時(shí)，對(duì)于巷道維護(hù)以及工作人員的安全都構(gòu)成一定程度的威脅，因此，應(yīng)該選用“S”形切割軌跡進(jìn)行巷道的掘進(jìn)。

3 結(jié)論

從影響巷道快速掘進(jìn)因素中的掘進(jìn)工藝切入，通過(guò)數(shù)值模擬研究了“S”形切割和螺旋線切割軌跡下巷道頂板以及兩幫的受力特征，得到“S”形切割軌跡下的巷道掘進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖更加穩(wěn)定，便于巷道的快速掘進(jìn)。