28216 工作面掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn)工藝研究

吳森茂

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

1 概述

東曲煤礦28216工作面軌道順槽長(zhǎng)度為1182 m，寬度為5 m，高度為4 m，該工作面煤層埋深平均375 m，煤層厚度3.41～4.34 m 不等，斷層較發(fā)育，為采煤掘進(jìn)造成較大困擾?；夭上锏理敯鍘r層穩(wěn)定性較差，加劇了回采掘進(jìn)時(shí)頂部垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。在前期采煤掘進(jìn)與支護(hù)時(shí)，存在掘進(jìn)作業(yè)頂板支護(hù)不及時(shí)、事故隱患大的問(wèn)題。基于此，針對(duì)28216 工作面實(shí)際情況進(jìn)行快速掘進(jìn)工藝研究，旨在通過(guò)優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割工藝、工序方案以及支護(hù)方案，提升采煤效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 掘進(jìn)機(jī)截割工藝優(yōu)化

28216 采煤工作面巷道穩(wěn)定性差，掘進(jìn)條件復(fù)雜。采用傳統(tǒng)掘進(jìn)支護(hù)工藝施工時(shí)，施工效率很低，事故風(fēng)險(xiǎn)隱患大。東曲煤礦采用的掘進(jìn)機(jī)為EBZ260 型，該型掘進(jìn)機(jī)能夠滿足巷道開(kāi)采地質(zhì)條件，因此，合理優(yōu)化掘進(jìn)截割工藝是保障掘進(jìn)機(jī)發(fā)揮性能、實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的重要因素。由于28216 工作面斷層發(fā)育，地質(zhì)穩(wěn)定性較差，目前普遍采用的中心進(jìn)刀、四周環(huán)形截割工藝，常常導(dǎo)致巷道成型困難，坍塌情況也時(shí)有發(fā)生。

為了改進(jìn)掘進(jìn)截割方式，技術(shù)人員對(duì)28216 工作面煤層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，于2019 年11 月首次在工作面143 m 處應(yīng)用全新跨越式掘進(jìn)截割工藝。該新工藝主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為掘進(jìn)方式的不同，將傳統(tǒng)環(huán)形截割優(yōu)化為側(cè)向交替掘進(jìn)截割，即首先將掘進(jìn)方向巷道分為穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)兩部分，寬度比例約為1:2，然后對(duì)不穩(wěn)定區(qū)一側(cè)截割掘進(jìn)，前進(jìn)一定距離后，退出側(cè)移掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行另一側(cè)截割掘進(jìn)，往復(fù)交替，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。

該工藝主要可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)后到支護(hù)前一段時(shí)間周期內(nèi)降低空頂時(shí)間，使得發(fā)生坍塌等風(fēng)險(xiǎn)大大降低，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掘進(jìn)和安全作業(yè)。側(cè)向交替掘進(jìn)截割路線示意圖如圖1 所示。

3 統(tǒng)籌工序優(yōu)化方案

28216 工作面煤層掘進(jìn)完成后，需要對(duì)成型的掘進(jìn)巷道進(jìn)行支護(hù)，而支護(hù)作業(yè)是掘進(jìn)工藝中最為重要也是最為費(fèi)時(shí)費(fèi)工的，一般支護(hù)作業(yè)占比整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間的一半以上。

為了從工序上實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)效率的提升，結(jié)合28216 工作面掘進(jìn)環(huán)境，充分分析掘進(jìn)作業(yè)所有工序，按照各工序要求以及周期進(jìn)行了多工序平行作業(yè)組合方案制定，縮短了支護(hù)作業(yè)周期。具體方案為：在保證掘進(jìn)巷道安全穩(wěn)定并有效降低掘進(jìn)事故風(fēng)險(xiǎn)的前提下，采用了一種滯后迎頭一段距離的弱化支護(hù)時(shí)間方案，方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于分析掘進(jìn)巷道應(yīng)力變化最大點(diǎn)。28216 工作面掘進(jìn)巷道寬5 m，高度為4 m，掘進(jìn)方向巷道左右兩個(gè)頂板高點(diǎn)最容易因應(yīng)力變化失穩(wěn)，因此對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)設(shè)置錨桿，設(shè)置距離為沿著掘進(jìn)方向距離掘進(jìn)面約15 m 處。該處設(shè)置錨桿可以不影響掘進(jìn)機(jī)安裝、運(yùn)行，能夠很大程度降低掘進(jìn)后實(shí)施永久支護(hù)作業(yè)的時(shí)間，基本實(shí)現(xiàn)支護(hù)與掘進(jìn)平行進(jìn)行。

28216 工作面原來(lái)30 d 掘進(jìn)320 m 左右，經(jīng)過(guò)新工序?qū)嵤?，同樣的時(shí)間可以掘進(jìn)480 m 左右，掘進(jìn)速度提升了一半以上。另外，統(tǒng)籌工序優(yōu)化方案還提出在支護(hù)期間對(duì)掘進(jìn)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)工序同步、周期縮短的目標(biāo)。優(yōu)化方案統(tǒng)籌工序示意圖如圖2 所示。

圖1 28216 工作面?zhèn)认蚪惶婢蜻M(jìn)截割路線示意圖

圖2 優(yōu)化方案統(tǒng)籌工序示意圖

4 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)方案

常規(guī)掘進(jìn)作業(yè)中的臨時(shí)支護(hù)在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)完成后，按照臨時(shí)支護(hù)工藝要求，對(duì)掘進(jìn)面頂部和四周進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。單項(xiàng)立柱支柱在進(jìn)行巷道保護(hù)過(guò)程中使用的臨時(shí)支護(hù)設(shè)施，動(dòng)力主要來(lái)源于液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，主要作用是為永久保護(hù)工作提供安全的施工環(huán)境。臨時(shí)支護(hù)太大的支撐力會(huì)給巷道帶來(lái)很大的外力，增加巷道倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，而小的支撐力則無(wú)法起到支撐作用。發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓動(dòng)力來(lái)自井下的動(dòng)力工作站，該工作站通過(guò)管道向支持設(shè)備提供恒定壓力的液壓油，并通過(guò)單向閥、快速閥、安全閥等調(diào)節(jié)液壓油，調(diào)整支柱的支撐力。單項(xiàng)立柱支柱臨時(shí)支護(hù)工藝支護(hù)能力不高，對(duì)較大的地質(zhì)壓力無(wú)法起到有效作用，容易出現(xiàn)支護(hù)面巖層或煤層碎裂砸落的情況，出現(xiàn)巷道冒頂事故，對(duì)作業(yè)人員的人身安全以及掘進(jìn)效率都非常不利。目前28216 工作面為了增加臨時(shí)支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性，并提升臨時(shí)支護(hù)效率，采用了改進(jìn)的機(jī)載臨時(shí)支護(hù)工藝。具體工藝實(shí)施為：在掘進(jìn)機(jī)前安裝前置支撐梁結(jié)構(gòu)，支撐梁的長(zhǎng)度按照掘進(jìn)工作面寬度確定。28216 工作面掘進(jìn)巷道寬5 m，支撐梁長(zhǎng)度為4.5 m，采用直徑為108 mm、壁厚為4 mm 的無(wú)縫鋼管材料制成。支撐梁與掘進(jìn)巷道頂板之間用護(hù)板支撐，護(hù)板的規(guī)格為1800 mm×25 mm×25 mm。在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，需要注意護(hù)板之間的連接可靠性以及銜接性。通過(guò)掘進(jìn)機(jī)前置支撐梁完成的臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單項(xiàng)立柱支柱工藝臨時(shí)支護(hù)強(qiáng)度，并且實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)同步實(shí)施，大大壓縮了整個(gè)掘進(jìn)工藝實(shí)施時(shí)間。東曲煤礦經(jīng)過(guò)在28216 工作面應(yīng)用改進(jìn)后的掘進(jìn)工藝，掘進(jìn)工藝實(shí)施周期縮短了34%，且在近五個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)一次支護(hù)事故。掘進(jìn)機(jī)前置支撐梁結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)前置支撐梁結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

本文研究了東曲煤礦28216 工作面快速掘進(jìn)改進(jìn)工藝，主要針對(duì)工作面掘進(jìn)作業(yè)方式、工序安排以及臨時(shí)支護(hù)作業(yè)等工藝進(jìn)行優(yōu)化，提出了適合28216 工作面地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)新工藝，通過(guò)研究形成以下結(jié)論：

（1）28216 工作面地質(zhì)穩(wěn)定性差，為了降低掘進(jìn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)，摒棄了中心進(jìn)刀、四周環(huán)形截割工藝，采用側(cè)向交替掘進(jìn)截割，對(duì)穩(wěn)定性較差的一側(cè)首先進(jìn)行掘進(jìn)，然后在對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的一側(cè)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。該掘進(jìn)方式主要是通過(guò)降低空頂時(shí)間來(lái)防止巷道坍塌事故的發(fā)生。

（2）滯后迎頭一段距離的弱化支護(hù)時(shí)間方案，基本實(shí)現(xiàn)支護(hù)與掘進(jìn)共同進(jìn)行，28216 工作面掘進(jìn)速度提升了一半以上。

（3）將單項(xiàng)立柱支柱臨時(shí)支護(hù)工藝優(yōu)化為掘進(jìn)機(jī)前置支撐梁結(jié)構(gòu)臨時(shí)支護(hù)工藝，優(yōu)化后的臨時(shí)支護(hù)方式不僅在支護(hù)強(qiáng)度方面遠(yuǎn)高于單項(xiàng)立柱支柱工藝，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)同步，極大地降低了掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)時(shí)間。28216 工作面應(yīng)用改進(jìn)后的掘進(jìn)工藝，掘進(jìn)工藝實(shí)施周期縮短了34%，掘進(jìn)安全以及掘進(jìn)效率都得到了有效保障。

（4）東曲煤礦經(jīng)過(guò)在28216 工作面應(yīng)用改進(jìn)后的掘進(jìn)工藝，在近五個(gè)月的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)一次安全事故，證明了改進(jìn)后工藝的有效性。