掘進工作面巷道成形技術研究

劉 偉

（山西煤炭進出口集團韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

煤礦井下掘進巷道成形的好壞對于巷道的高效掘進工作至關重要。一方面，成形較好的巷道在原巖應力重新分布后，圍巖受力相對穩(wěn)定，成巷后巷道不會出現較大的變形，巷道后期維護成本低。另一方面，成形較好的巷道表面平整，采用錨網索支護時，有利于巷道成排成行支護，能夠節(jié)省支護時間，提高支護效率，且有利于巷道成本控制。

1 影響巷道成形的主要原因

1.1 地質條件

開掘巷道圍巖特征、埋深、地質構造、地應力等都會對巷道成形造成影響。巷道圍巖軟硬程度影響成巷水平，圍巖越硬越有利于巷道的成形，但圍巖硬度過大會給施工帶來難度；埋深越大，巷道承受的壓力越大，越不利于成形；巷道所在區(qū)域存在斷層、陷落柱、褶曲等地質構造也會給成巷帶來負面影響；有沖擊地壓的礦井還會導致成巷后出現底鼓現象。

1.2 支護質量

巷道截割成形后，要及時對巷道進行支護，支護質量的好壞直接影響到巷道的成形效果。采用錨網索支護的巷道，如果支護材料本身的質量存在問題，將可能導致巷道支護效果不達標，出現網包、片幫等現象，最終影響成形效果。同時，在支護作業(yè)中，如果支護設計不合理或者未按照支護設計的間排距施工，會造成圍巖受力不均勻，出現局部離層，嚴重時可能會發(fā)生頂板冒落事故。

1.3 工藝水平

巷道掘進常采用綜合機械化掘進和炮掘兩種施工工藝。通常炮掘工藝會對圍巖產生擾動影響，使圍巖裂隙發(fā)育程度增加，降低圍巖的強度，不利于巷道成形控制。隨著生產水平的不斷發(fā)展，綜合機械化掘進的普及率越來越高，在巷道施工成形方面，綜合機械化是提高掘進巷道成形的較優(yōu)選擇。

1.4 其他原因

除了以上原因外，影響巷道成形的原因還有很多，如巷道布局、支護設計、施工隊伍水平等都會影響到巷道成形水平。對于單個煤礦而言，地質條件是穩(wěn)定的，在整個礦井區(qū)域內不會有太大的改變；巷道布局、支護設計、工藝水平、支護材料等相對確定；隊伍施工水平在短時間內也不會有很大的提高，但可以借助一些輔助工具來提高巷道成形水平。

2 全斷面成形裝置的結構和工作原理

為了解決掘進工作面巷道成型效果差以及錨桿（索）定位不準確的問題，研發(fā)了一種掘進工作面紅外激光指向全斷面成形裝置，該裝置能提升巷道掘進時的成形效果，還能為頂板支護提供參照依據，為掘進質量的提高、實現標準化作業(yè)提供保障。

2.1 全斷面成形裝置的結構

紅外激光指向全斷面成形裝置由可調節(jié)U型框架、紅外激光指向儀、錨桿（索）固定座等組成。可調節(jié)U型框架又由橫桿、豎桿及L型連接件組成。橫桿通過錨桿（索）固定座與巷道頂板上的錨桿（索）進行固定；豎桿通過L型連接件與橫桿插接在一起，預留一定的插接長度，調整好插接長度后，用定位螺栓進行固定。橫桿與豎桿上設有安裝位，用于安裝紅外激光指向儀，具體結構示意圖如下頁圖1所示。

圖1 紅外激光指向全斷面成形裝置示意圖

2.2 全斷面成形裝置的工作原理

將全斷面成形裝置安裝在距離掘進工作面迎頭20 m處（根據掘進機作業(yè)時需要巷道空間而定）。按照掘進工作面斷面調整好U形可調節(jié)框架固定尺寸，鎖死定位螺栓，根據巷道頂幫錨桿（索）間排距安裝紅外激光指向儀。進行掘進作業(yè)時，打開紅外激光指向儀，根據紅外激光指向儀激光束打出的點陣輪廓進行掘進作業(yè)；支護頂板時，打開頂部的紅外激光指向儀，利用激光束標定錨桿錨索的位置；支護兩幫時，打開兩幫的紅外激光指向儀，利用激光束標定幫錨桿的位置。支護完一排后，在激光束的方向上用米尺量出下一排的距離，再繼續(xù)進行下一排支護。激光束的有效指向距離為70 m，掘進到位后，移動全斷面成形裝置，進入下一個循環(huán)。

3 現場應用

試驗巷道采用綜合機械化掘進施工工藝，巷道采用錨網索支護方式，巷道寬4.8 m，高2.8 m，斷面面積為13.44m2，掘進巷道支護斷面圖如圖2所示。錨索規(guī)格為MS-1-21.8-10300，錨索間排距為1 800mm×2 000 mm，螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ22-M24-2400，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm。

圖2 掘進巷道支護斷面圖（mm）

將全斷面成形裝置固定在巷道錨桿上，根據錨桿（索）間排距調整激光指向儀的位置，并調整激光指向儀的方向以滿足巷道坡度要求，現場安裝調試如圖3所示。經現場應用，該裝置能夠滿足設計要求，巷道成形水平有了顯著提高，同時提高了掘進效率。

圖3 激光指向儀現場調試圖

4 結論

具有紅外激光指向功能的全斷面成形裝置，創(chuàng)新地解決了掘進工作面巷道成型效果差以及錨桿（索）定位不準確的問題，大大提高了掘進巷道成形水平，避免了因綜掘機司機操作水平參差不齊而造成的巷幫超挖欠挖情況，降低了工人勞動強度，對實現巷道的高效掘進有現實意義。該裝置具有以下特點：

1）設備簡單，運行可靠。該裝置結構簡單，桿件通過插接螺栓固定，連接簡單可靠，紅外激光指向儀采用安全電壓供電，屬于本質安全型設備，運行安全可靠。

2）應用紅外激光指向全斷面成形裝置進行工作時，能夠在掘進斷面上形成一個輪廓，掘進機司機可按照輪廓截割煤體，不會出現多挖欠挖現象，成巷效果得到顯著提高。

3）在遇到地形變化時，可以調節(jié)激光指向儀的角度來實現巷道的上下坡正常作業(yè)。