煤礦巷道掘進工藝分析研究

肖河源

（同煤集團王村煤業(yè)公司機掘三隊，山西 大同037000）

我國作為煤炭儲量大國，煤炭能源在能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位。煤炭開采多為低下開采，近年來隨著煤炭開采技術(shù)與工藝的不斷創(chuàng)新，大型地下綜采工作面數(shù)量不斷增加，使得年新增回采巷道的數(shù)量和長度也大量增加。相對而言，我國的煤炭開發(fā)井下巷道掘進與支護技術(shù)的進步遠遠低于需求，巷道掘進能力制約著我國煤炭回采效率。另外巷道掘進事故的發(fā)生也在佐證著我國巷道掘進能力急需提升。針對這一問題，本文以懸臂式掘進機配套單體錨體鉆機設(shè)備為基礎(chǔ)，從巷道施工工藝、掘進工藝以及巷道支護工藝角度出發(fā)，進行工藝技術(shù)探討，旨在掘進安全的基礎(chǔ)上，提升巷道掘進速度，保障煤炭回采效率。

1 巷道掘進工藝

煤炭回采巷道的施工一般包括巷道掘進、巷道支護等，以便于回采煤安全順利運輸。巷道掘進在我國當前的煤炭開采中采用最廣泛的是懸臂式掘進機配套單體錨體鉆機工藝，通過掘進機將巷道煤炭切割，形成一定需求的巷道后，為了保證巷道圍巖的穩(wěn)定，需要進行巷道支護，巷道支護相比較巷道掘進，耗時長、工作量大。懸臂式掘進機配套單體錨體鉆機煤炭巷道掘進施工作業(yè)線如圖1所示。掘進機進行掘進作業(yè)，掘進機切割下來的煤塊，需要通過橋式傳送機輸送到膠帶式輸送機上，一方面起到煤炭收集作用，另一方面為進一步巷道掘進提供空間，待前進兩個錨桿排距時，停止掘進，退出空間進行鉆機鉆孔支護作業(yè)，往返交替，完成巷道掘進支護。該作業(yè)工藝能夠保證各工序之間的銜接，充分發(fā)揮工藝設(shè)備性能，切割、運輸、掘進、支護環(huán)環(huán)相扣，最大程度發(fā)揮了工藝效率。該工藝主要應用于巷道彎度較小的單巷道掘進環(huán)境中。

圖1 煤炭井下巷道掘進施工作業(yè)線圖示

在實際巷道掘進工藝實施中，掘進與支護方式是影響掘進進度的最重要因素。煤礦單巷道掘進時，掘進面一般都呈現(xiàn)矩形特征，如果掘進巷道一次成型，雖然能夠在一定程度上提升掘進效率，但支護難度和支護作業(yè)效率會受到嚴重影響，通過工藝測算，二段掘進施工工藝整體上優(yōu)于一次成型工藝。二段掘進工藝示意圖見下頁圖2，首先懸臂式掘進機從巷道一側(cè)進行切割掘進，一般前進約兩個錨桿距離后，將掘進機后退，并測移動到巷道另一側(cè)，進行二段掘進，同時煤礦工人進入到空頂區(qū)先進行臨時支護，再進行掛錨網(wǎng)、打眼鉆孔錨桿錨索永久支護作業(yè)，二段掘進工藝能夠統(tǒng)籌掘進與支護工序，提升掘進支護效率。懸臂式掘進機配套單體錨體鉆機工藝是我國大部分煤礦井下巷道掘進支護方式，具有便捷性和快速性的特點，工藝實施簡單有效，但值得注意的是，二段掘進工藝的實施對巷道圍巖有一定的要求，巷道圍巖或煤塊需要有一定的硬度，同時做好巷道支護也是該工藝實施的重要保障。

2 巷道支護工藝

井下巷道支護是保障巷道安全，回采順利的重要保障，是巷道掘進技術(shù)的關(guān)鍵點。巷道支護的目標是落煤后，巷道頂板及圍巖變得松散且不穩(wěn)定，需要進行支撐維護，將掘進形成的不穩(wěn)定巷道圍巖進行支護，控制形成巷道圍巖的變形，避免巷道圍巖的坍塌或碎塊掉落，使巷道穩(wěn)定安全。與二段掘進工藝相搭配的支護工藝為錨桿錨索支護工藝，該工藝具有所需空間小的優(yōu)點，適合在巷道一側(cè)單獨實施。錨桿錨索支護工藝與二段掘進工藝共同實施，實施步驟為：

圖2 巷道二段掘進工藝示意圖

1）掘進機掘進巷道一側(cè)，將煤塊或巖塊通過輸送系統(tǒng)運出，為巷道施工留有足夠空間，一側(cè)掘進完成后，掘進機退出，移至另一側(cè)繼續(xù)掘進。

2）將臨時支護裝置運送到采空區(qū)，此時支護設(shè)備的四根支柱處于收縮狀態(tài)，放置在確定位置后，將支柱張開，通過液壓動力，將臨時支護設(shè)備緊貼采空巷道頂部，起到上下支護作用。

3）支護平臺進入采空區(qū)，工作人員手動安裝單軌吊軌道，懸掛式錨桿鉆孔機進入采空巷道，在圍巖上打孔，進行永久支護作業(yè)。

4）支護平臺收起折疊，退出懸掛式錨桿鉆機，進行下一周期的流程。

巷道支護工藝實施當中用到的臨時支護設(shè)備，是一種以液壓為動力的支護平臺，主要作用是為永久支護作業(yè)提供安全施工環(huán)境，起到臨時保護作用。臨時支護的動力大小是支護作用的重要參數(shù)，過大的動力會使得巷道受到過大外力，增加巷道塌頂風險，而過小的支護動力則起不到支護作用，形同虛設(shè)。一般來講，臨時支護設(shè)備液壓動力來自于井下動力工作站，工作站通過管道向支護設(shè)備提供一定壓力的液壓油，并通過單向閥門、溢流閥門、安全閥門等來調(diào)節(jié)液壓油調(diào)整立柱的支撐力，完成臨時支護設(shè)備對掘進完成后巷道的臨時支護。臨時支護在接收到來自工作站的液壓動力后，支護可以分為三個階段：初撐階段、承載增阻階段、恒阻階段。

初撐階段指的是臨時支護設(shè)備支柱張開并對巷道頂部起到升高作用的過程，支護設(shè)備在液壓動力作用下，對巷道頂板產(chǎn)生一定范圍的支撐力，該支撐力是保證巷道頂板穩(wěn)定的主要動力，該支撐力大小為：

式中：D為臨時支護設(shè)備支柱的缸徑；n為臨時支護設(shè)備支柱數(shù)量；Pb為液壓工作站位臨時支護設(shè)備提供的液壓動力大小。

承載增阻階段指的是在臨時支護設(shè)備對巷道頂部初撐后，巷道頂部然后受到臨時支護設(shè)備向上的支撐力，該力大于初撐力。其主要是使巷道頂部在初撐完成后，繼續(xù)向上做一定形變，使頂部更加穩(wěn)定。承載增阻階段的巷道頂部并沒有達到最高處，因此臨時支護設(shè)備的支撐力也在不斷增加，受到的阻力也在不斷增大，因此承載增阻階段是一個動態(tài)的過程。恒阻階段是在臨時支護設(shè)備壓力升到一定極限后，巷道頂板也上升到最高，此時頂板形變最大，最穩(wěn)定，而臨時支護設(shè)備則通過對應的減壓裝置釋放壓力，達到能夠支撐頂板穩(wěn)定的壓力后停止釋壓，達到阻力與壓力平衡。因此恒阻階段實際上是臨時支護設(shè)備與巷道頂板達到穩(wěn)定的狀態(tài)，是臨時支護設(shè)備真正發(fā)揮作用的開始階段。恒阻階段設(shè)備動力為：

式中：D為臨時支護設(shè)備支柱的缸徑；n為臨時支護設(shè)備支柱數(shù)量；Pa為臨時支護設(shè)備安全閥設(shè)定壓力。

對于臨時支護設(shè)備的壓力用圖3表示。對于臨時支護設(shè)備的選取，恒阻階段的設(shè)備提供的支撐力是最重要的參考要素。

圖3 臨時支護設(shè)備工作階段示意圖

3 結(jié)語

懸臂式掘進機配套單體錨體鉆機煤炭巷道二段掘進工藝，能夠有效提升巷道掘進支護速度，間接提升煤礦回采經(jīng)濟效益，保障施工人員人身安全，這對我國煤炭開采行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。