礦井智能化高速掘進(jìn)技術(shù)研究

安鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

引言

近年來，煤礦井下單產(chǎn)水平顯著提升，井下巷道掘進(jìn)效率是限制綜采效率整體提升的關(guān)鍵因素之一，尤其是一些地質(zhì)情況較為復(fù)雜、大深度的礦井，傳統(tǒng)的支護(hù)方案已難以實現(xiàn)穩(wěn)固可靠的支護(hù)，巷道的掘進(jìn)方案不夠穩(wěn)定，這些都影響著巷道掘進(jìn)效率的進(jìn)一步突破。本文對井下巷道的掘進(jìn)過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)限制巷道掘進(jìn)效率的因素包括井下綜掘面上各個工序之間的配合方式、井下巷道的支護(hù)方式以及掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方案等，根據(jù)影響因素提出能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件的截割作業(yè)優(yōu)化方案、多工序并行綜掘作業(yè)方案和錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固方案并展開分析。

1 巷道掘進(jìn)效率影響因素分析

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦9 號煤層地質(zhì)條件如下：井下巷道煤層均厚5.2 m，頂板、圍巖主要為泥巖以及砂質(zhì)泥巖，巷道凈斷面截面積18.5 m2，掘進(jìn)過程中頂板承受較大的周期性壓力，使得垮度增大，導(dǎo)致頂板下沉、支護(hù)錨桿斷裂，巷道掘進(jìn)速度較低，僅為4.3 m/d，掘進(jìn)過程中頂板下沉量最大為142.3 mm 左右，兩幫位移量最大為179.5 mm 左右，難以實現(xiàn)既定的可靠支護(hù)的要求[1]。對井下巷道掘進(jìn)工藝流程進(jìn)行研究可知，限制巷道掘進(jìn)效率提升的原因有以下幾方面：

1）巷道掘進(jìn)方案不合理。根據(jù)井下地質(zhì)情況的不同可將巷道頂板分為完整態(tài)和頂板破碎態(tài)兩種情況，巷道掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)通常使用順時針的巷道截割方案，使得處于破碎態(tài)的頂板時常出現(xiàn)塌方等現(xiàn)象，限制了巷道掘進(jìn)效率的提升。

2）施工工序分布不合理。井下綜掘面上有大量的設(shè)備和人員進(jìn)行作業(yè)，相互之間需要協(xié)調(diào)配合，但是相關(guān)管理模式并不完善使得實際作業(yè)過程中，大多數(shù)工序都采用串行作業(yè)的方式進(jìn)行，各工序之間互相影響導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率難以提升、安全性難以保障。

3）支護(hù)方案不合理。掘進(jìn)過程中頂板需要承受較大的周期性礦壓，因此需要進(jìn)行安全牢固的支護(hù)，當(dāng)前使用的是傳統(tǒng)的單錨桿支護(hù)方式，支護(hù)過程中需要施加較多的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以及錨固劑，錨固劑需要一定的凝固時間，導(dǎo)致整體掘進(jìn)效率難以提升。

2 巷道掘進(jìn)方案優(yōu)化

井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜導(dǎo)致巷道頂板存在完整區(qū)和破碎區(qū)，傳統(tǒng)的掘進(jìn)方案通常使用掘進(jìn)機(jī)一次掘進(jìn)成型，頂板的破碎區(qū)會出現(xiàn)局部塌方等現(xiàn)象導(dǎo)致大量的落石堆積在巷道中，需要及時清理，導(dǎo)致巷道的掘進(jìn)效率受到限制，因此，根據(jù)井下地質(zhì)情況，提出了一種巷道掘進(jìn)優(yōu)化方案，使用短掘短支的方式，依照巷道的具體情況，進(jìn)行截割路徑的優(yōu)化。

掘進(jìn)機(jī)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)特點是截齒密實以及單軸抗壓能力強(qiáng)等，進(jìn)刀位置擬定為煤巖結(jié)合處，截割順序依次為煤炭和巖層，整個截割過程穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，掘進(jìn)截割路徑如下頁圖1 所示，圖中數(shù)值為路徑標(biāo)識，根據(jù)礦井的實際地質(zhì)條件選取合適的截割路徑，避免了頂板破碎區(qū)過多的塌方現(xiàn)象，減少了落石的清理時長，顯著提升了掘進(jìn)效率以及安全性[2]。

圖1 不同地址條件下截割路徑示意圖

3 施工工序優(yōu)化

傳統(tǒng)掘進(jìn)過程中，安裝頂部錨桿以及幫部錨桿、掘進(jìn)設(shè)備維護(hù)及延長同機(jī)電纜等工序在綜掘面上采用串行的方式進(jìn)行作業(yè)，保證了綜掘面上的工作人員數(shù)量不至過多，但是也降低了巷道的掘進(jìn)效率，在此基礎(chǔ)上對于各個掘進(jìn)工序進(jìn)行分析，整個工作流程進(jìn)行科學(xué)合理的布置，部分工序合并進(jìn)行，完成了多工序平行作業(yè)的目標(biāo)，顯著提高了井下巷道的掘進(jìn)效率，多工序平行作業(yè)圖如下頁圖2 所示。

圖2 多工序平行作業(yè)圖

4 支護(hù)方案優(yōu)化

傳統(tǒng)的單錨桿支護(hù)方案中，相鄰錨桿間排距為1 000 mm、1 000 mm，錨桿數(shù)量多、支護(hù)成本高、作業(yè)流程復(fù)雜，限制了掘進(jìn)效率的提升，根據(jù)巷道的實際構(gòu)造，提出使用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固方案，相關(guān)支護(hù)參數(shù)如下頁表1 所示。此外，為了保障巷道支護(hù)的牢固穩(wěn)定，相鄰錨桿間使用圓鋼進(jìn)行焊接，能夠適應(yīng)周期性的礦壓波動[3]。

表1 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)

使用ZBQS-12/10 型便攜式注漿泵完成注漿，為了降低凝固耗時，選用快速速凝材料注漿，具體注漿參數(shù)如表2 所示。使用交錯注漿的方式，提升注漿效果，通過袋式封孔的方式保證注漿后的快速封孔，提升注漿在巖層內(nèi)圈的滲透效果。

表2 注漿加固參數(shù)

使用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固的方案支護(hù)較為牢固、經(jīng)濟(jì)成本較低，顯著提升了巷道支護(hù)的可靠性。

5 應(yīng)用效果分析

為了測試優(yōu)化后的巷道掘進(jìn)方案的實際效果，在巷道內(nèi)進(jìn)行十字布點的方式，分別支護(hù)巷道頂板以及幫部，使用優(yōu)化后的掘進(jìn)方案變形量如圖3 所示。

根據(jù)圖3 不難發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道頂板最大變形量是39 mm 左右，相較于原來的142.3 mm 下降了71.5%，巷道幫部最大變形量是28 mm 左右，相較于原來的179.5 mm 下降了83.3%，巷道支護(hù)的穩(wěn)定性、可靠性得到了明顯的提升。使用優(yōu)化后的掘進(jìn)方案，巷道的掘進(jìn)效率為6.4 m/d，相較于原來的4.3 m/d 提高了31.6%，井下巷道的掘進(jìn)效率得到了顯著的提高。

圖3 頂板及巷幫變形量

6 結(jié)論

1）影響巷道掘進(jìn)效率提升的因素包括巷道掘進(jìn)方案不合理、施工工序分布效率低以及支護(hù)不穩(wěn)定。

2）優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)截割路徑顯著減少了掘進(jìn)過程中頂板破碎區(qū)塌方問題，有效地提升了巷道掘進(jìn)作業(yè)時的穩(wěn)定性，減少了落石的清理時長，顯著提升了掘進(jìn)效率及安全性。

3）使用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固方案，支護(hù)效果較好、經(jīng)濟(jì)成本較低，顯著提高了巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。

4）優(yōu)化后的巷道掘進(jìn)方案相較于原方案，巷道掘進(jìn)效率提升31.6%、巷道頂板下沉量降低71.5%、巷道幫部位移量降低83.3%。