東曲煤礦雙巷連采快速掘進(jìn)工藝優(yōu)化研究

韓 敬

（山西焦煤西山煤電東曲礦，山西 太原 030200）

東曲煤礦在巷道開采過程中，由于礦井的地質(zhì)條件復(fù)雜，出現(xiàn)了掘進(jìn)工作面雙巷巷道軸向距離參數(shù)設(shè)計(jì)、施工工藝等不匹配問題，嚴(yán)重制約了井下采煤效率[1-2]。

1 地質(zhì)條件及巷道概況

東曲煤礦開采的煤層賦存穩(wěn)定、煤層厚度變化不大，但由于煤層底板條件較差，巷道多處出現(xiàn)斷層和褶皺。礦井主要開采的4 號煤層偽頂厚度為0.1～1.0 m，巖性特征為砂質(zhì)泥巖；直接頂厚度為0.3～9.2 m，巖性特征為砂質(zhì)泥巖；基本頂厚度為1.32～34.0 m，巖性特征為中砂礫巖；直接底厚度為0.15～7.0 m，巖性特征為砂質(zhì)泥巖。

2301 工作面為寬緩的背斜構(gòu)造結(jié)構(gòu)，地質(zhì)構(gòu)造整體上較為平緩。根據(jù)已掘進(jìn)巷道概況及地質(zhì)勘探結(jié)果，2301 工作面東部區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，西部區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多處斷層和陷落柱。2301工作面南部為23011、23015 正采掘工作面，北部為23013 未采掘工作面，東部為井底車場，西部為正采掘進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷道。其中，23012 和23014 巷道分別是輔助運(yùn)輸巷和皮帶巷。巷道布置如圖1。

圖1 巷道布置圖

2 數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)礦井的地質(zhì)條件以及2301 工作面巖層情況，建立三維數(shù)值模型。為了減小模型的邊界效應(yīng)，所建立模型的長寬高分別為150 m、110 m、27.4 m，劃分為81 250 個(gè)網(wǎng)格，共87 471 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬時(shí)2301 工作面走向兩側(cè)距離模型邊界為20 m，煤層厚度及其他巖層厚度與實(shí)際一致，采用模型總寬度來模擬工作面推進(jìn)距離[3-4]。

2.2 確定邊界和載荷條件

將模型的左右邊界以及底部邊界設(shè)為固定值，水平位移量和垂直位移量設(shè)為0；將模型的頂部邊界值取任意值，水平方向與垂直方向位移量取非零實(shí)數(shù)。

沿模型走向分別對各個(gè)分量進(jìn)行分解，對各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行初始化設(shè)置，給分解后的分量另外增加垂直和水平分量，取垂直分量值為8.97 MPa，水平分量值為10 MPa。建立的原始模型如圖2。

圖2 原始模型圖

2.3 模擬方案確定

根據(jù)2301 工作面的實(shí)際情況，兩條巷道的橫向中心距為20 m，在模擬雙巷掘進(jìn)的應(yīng)力分布情況時(shí)，將矩形巷道近似看作是一個(gè)半徑為3 m 的圓形巷道[5]。當(dāng)斷面相同的兩條巷道間距離大于2Ri 時(shí)，巷道之間相互不影響。因此，對中心距為20 m 的兩條巷道同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，分別模擬兩巷道軸向距離為10 m、20 m、30 m、40 m 的應(yīng)力分布和集中情況，從而確定合理的巷道軸向距離。

具體實(shí)施過程如下：

（1）首先模擬23012 和23014 兩條巷道掘進(jìn)距離從0～30 m 的掘進(jìn)過程，并對兩巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，然后模擬23013 巷道從0～30 m 的掘進(jìn)過程；

（2）繼續(xù)模擬23012 和23014 兩條巷道掘進(jìn)距離從30～60 m 的掘進(jìn)過程，并對23013 巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)；

（3）模擬23013 巷道從30～60 m 的掘進(jìn)過程，并對23012 和23014 兩條巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)；

（4）模擬巷道貫通過程，并對23013 巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。

2.4 模擬結(jié)果分析

按設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模擬。為了分析裂隙和塑性破壞區(qū)的影響，沿巷道頂板上方5 m 和較短巷道迎頭掘進(jìn)5 m 處分析其垂直應(yīng)力分布情況，得到兩巷道不同軸向距離的應(yīng)力分布情況如圖3。

從圖3（a）、（b）中可以看出，當(dāng)兩巷道軸向距離為10 m 和20 m 時(shí)，在巷道軸線中間9 m 范圍內(nèi)，頂板上方的應(yīng)力集中分布情況比較嚴(yán)重。此外，在距離較短巷道端頭后方5 m 位置也開始出現(xiàn)應(yīng)力集中分布情況。隨著距離的增加，應(yīng)力集中分布情況也不斷加劇，最大應(yīng)力值分別達(dá)到13.40 MPa 和11.60 MPa，計(jì)算得出應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.370 和1.306。從圖3（c）、（d）中可以看出，當(dāng)兩巷道軸向距離為30 m 和40 m 時(shí)，隨著軸向距離的增加，巷道頂板上方的應(yīng)力集中逐漸減弱，巷道軸線中間位置的應(yīng)力集中分布區(qū)域也逐漸減小。在距離較短巷道端頭前方5 m 位置開始出現(xiàn)應(yīng)力集中分布情況，但應(yīng)力集中系數(shù)不明顯。隨著距離的增加，應(yīng)力集中分布情況會(huì)加劇，最大應(yīng)力值分別達(dá)到10.07 MPa 和9.72 MPa，計(jì)算得出應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.15 和1.10。綜上可以看出，兩巷道軸向距離在10 m 到30 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)變化較大，而在30 m 以后應(yīng)力集中系數(shù)變化趨于平緩。

圖3 兩巷道不同軸向距離掘進(jìn)時(shí)垂直應(yīng)力分布

3 掘進(jìn)工藝

3.1 配套設(shè)備

雙巷道掘進(jìn)工藝所需要的主要配套設(shè)備名稱及具體型號見表1。

表1 雙巷道掘進(jìn)工藝配套設(shè)備及型號明細(xì)表

為了滿足上述配套設(shè)備使用，還配備了移動(dòng)式變電站、帶式運(yùn)輸機(jī)、通風(fēng)機(jī)等，確保采煤作業(yè)的順利進(jìn)行。

3.2 落煤工藝

（1）開切口。通常采煤機(jī)正式啟動(dòng)前，需要將連續(xù)采煤機(jī)調(diào)整至前進(jìn)方向偏左側(cè)的位置，并且通過激光線校對，確保安裝位置精確，采煤機(jī)向煤壁正前方切割，在切割深度達(dá)到1 m 時(shí)停止。開切口工序示意圖如圖4（a）[6]。

（2）采垛。待開切口操作完畢，將采煤機(jī)安裝位置調(diào)整至前進(jìn)方向偏右位置，通過幫部激光線校對，確保安裝位置精確，然后切割煤壁的剩余部分。采垛工序示意圖如圖4（b）。

圖4 采煤工序（mm）

（3）截割循環(huán)。在使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開切口和采垛落煤工序時(shí)，截割時(shí)先對采煤機(jī)升刀，將采煤機(jī)截割頭升高到巷道頂板處；然后使用切割頭清掃上一次截割預(yù)留的煤皮，完成掃頂，煤皮清掃厚度一般不超過200 mm；掃頂完成后，選擇前進(jìn)方向左側(cè)位置作為切入點(diǎn)，進(jìn)刀距離1 m 后，調(diào)整切割頭方向向下進(jìn)行煤層切割，直至巷道底板所在位置；然后進(jìn)行挖底操作，確保巷道底板的平整性；最后將切割頭上升至巷道頂板位置，完成一次截割作業(yè)全流程，采煤機(jī)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。截割循環(huán)按照頂板—底板—頂板的順序，每循環(huán)一次，工作面向前推進(jìn)1 m，如此往復(fù)直到掘進(jìn)完最后一次循環(huán)后停止，并將采煤機(jī)轉(zhuǎn)移到另一條巷道中進(jìn)行截割循環(huán)。

3.3 裝運(yùn)煤工藝

自動(dòng)裝運(yùn)煤作業(yè)是通過連續(xù)采煤機(jī)來實(shí)現(xiàn)，主要包括裝載機(jī)構(gòu)和運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。其中鏟板、圓盤耙桿和中部輸送機(jī)作為裝載機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)裝煤；梭車和帶式輸送機(jī)作為運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)煤。掘進(jìn)過程中切割下的煤塊通過鏟板收集，借助圓盤耙桿的作用，鏟板上的煤塊進(jìn)入中部運(yùn)輸機(jī)裝載至梭車，梭車運(yùn)載煤塊至破碎機(jī)進(jìn)行粉碎后，倒入帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出工作面。待完成裝運(yùn)煤后，將裝煤鏟板降下，對巷道浮煤進(jìn)行清理，然后依次撤出連續(xù)采煤機(jī)和梭車等設(shè)備，并在巷道內(nèi)安裝FBZL16 型防爆裝載機(jī)。待空頂以外的浮煤都清理干凈后，采用錨桿機(jī)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，同時(shí)清理工作面表面上的浮煤。

4 效果分析

對改進(jìn)優(yōu)化的掘進(jìn)工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到2020 年8—10 月雙巷與2021 年8—10 月雙巷掘進(jìn)情況效率對比見表2。

表2 雙巷掘進(jìn)情況效率對比表

從表2 中可以看出，在2021 年，工作面月均進(jìn)尺達(dá)600 m 以上，確保每月雙巷可開采24 d，單次掘進(jìn)水平最大提升率為21.6%。由于雙巷軸向距離確定為30 m，通過掘進(jìn)工藝及參數(shù)優(yōu)化，在確保工作面提前圈定的同時(shí)，大大降低了掘進(jìn)成本。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)東曲煤礦工作面地質(zhì)條件，通過模擬軟件對雙巷軸向距離進(jìn)行模擬，確定雙巷軸向距離為30 m 時(shí)為最佳。

（2）通過改進(jìn)掘進(jìn)工藝及參數(shù)優(yōu)化，采用連續(xù)采煤機(jī)工藝很好地實(shí)現(xiàn)雙巷快速掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，工作面月均進(jìn)尺達(dá)600 m 以上，單次掘進(jìn)水平最大提升率為21.6%，在確保工作面提前圈定的同時(shí)，大大降低了掘進(jìn)成本。