礦井煤巷快速掘進技術實踐

王漢濤

（中煤資源發展集團有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

巷道掘進是礦井生產的重要內容，是保證礦井采掘接替，高產穩產的關鍵技術措施[1]。隨著采煤機械化水平的不斷提高，工作面煤炭回采速度不斷加快，礦井生產面臨采掘失調，巷道掘進速度偏低的現象，巷道的生產周期和生產成本不斷增加。同時掘進作業期間，礦井需進行超前臨時支護工作，當前巷道超前臨時支護機械自動化程度較低，支護速度不高，制約了巷道的掘進速度[2]。

國內外眾多研究學者對巷道快速掘進工作進行廣泛研究。劉一凡[3]通過改進現有超前支架結構，提出基于弱支撐，強防護的新型機載超前臨時支架，并通過力學驗證，數值模擬和現場試驗等方法進行支架效果驗證，一定程度提高了巷道掘進速度?；菖d田[4]等人總結分析現有3 種快速掘進技術存在問題，提出基于懸臂式掘進機如何高效工作的方式進行煤巷快速掘進進行分析驗證?？涤頪5]認為采用液壓系統臨時支護達到對空頂區域的有效支護，避免人的因素導致空頂區作業危險，提高巷道臨時支護的安全系數。王群[6]基于礦井實際地質條件進行臨時支護設備設計，通過彈性力學、數值建模等方法進行了設備強度和剛度驗證，為巷道快速掘進奠定基礎。

上述學者的研究豐富了礦井煤巷快速掘進技術的研究內容，但研究多集中于巷道掘進設備設計的系統研究，對礦井快速掘進的技術內容研究較少。本文以東坡煤礦924 工作面運輸巷道為研究背景，進行巷道快速掘進技術研究，為礦井巷道安全快速施工提供指導。

1 工程地質概況

924 運輸巷掘進工作面所采9#煤位于太原組中下部，工作面煤層厚度14.2～15.2 m，平均厚度15 m，厚度較穩定。煤層中含夾矸4～5 層，夾矸厚度0.2～0.8 m 不等。

根據區內及相鄰鉆孔資料、物探成果資料和相鄰工作面實際揭露資料分析：924 運輸巷煤層底板北高南低，中間略有起伏，總體形態為向斜構造，其間可能伴有規模較小的褶曲，地質條件中等。煤層傾角由北向南逐漸變大，傾角在1°～8°之間，平均5°。

巷道斷面5.5 m×3.5 m，頂底板圍巖強度較弱，如表1 所示。

表1 巷道頂底板巖性

2 巷道快速掘進影響因素分析

巷道快速掘進是一項綜合性工程，提高掘進速度的關鍵在于合理安排掘進的每道工序，提高設備的自動化程度。但掘巷影響因素眾多，各個因素又相互作用，在地質條件、設備選型等條件的影響下，現階段煤巷掘進效率并不理想。

2.1 機械設備

（1）掘進機雖然在我國礦井廣泛應用，但是整機質量不高，刀具磨損嚴重，維修時間長，操作不規范，地質條件不適應等都對掘巷速度產生影響。

（2）現在錨桿鉆機多已加裝于懸臂掘進機上，雖然一定程度提高了機械化水平，但全斷面鉆眼及遠距離操作定位仍存在困難，折疊結構維修頻率較高。

（3）隨著技術不斷發展，現已形成多種的運輸設備配套體系，不同的運輸設備能夠適應多種地質環境，制約掘進速度最大的問題在于運輸設備與其他機械設備的匹配度。

2.2 工程地質條件

煤巷掘進過程中主要受到煤巖層層理空隙發育狀況、煤巖體硬度、完整性、水文地質條件、巷道圍巖穩定性以及各類地質構造等因素影響，良好的圍巖地質條件有利于巷道快速掘進，不利的地質條件不僅影響掘進速度，同時影響臨時支護，從整體制約巷道掘進效率。

2.3 施工內容

（1）煤巷掘進施工流程主要有割煤、裝煤、運煤和支護。針對不同條件，現已發展多種機械化的掘進施工工藝，不同工藝各有利弊，在采掘比例失調大背景下，只能暫時滿足生產需要。

（2）煤巷掘進工序的管理是掘進工藝重要的組成內容，合理的工序安排，不僅提高掘巷速度，同時保證掘巷質量。

（3）支護是巷道掘進中最費時間的工作，可分為永久支護和臨時支護，支護目的是保證生產的安全，部分礦井為了提高掘巷速度，放棄臨時支護，若造成安全事故，掘進速度仍無法保證。

3 巷道快速掘進工藝應用與實踐

3.1 掘進機截割形狀

924 運輸巷采用EBZ-200 型懸臂式掘進機施工，該掘進機機體不動，截割臂伸縮及左右上下搖擺時，可切割范圍如圖1 所示。

圖1 掘進機擺臂截割范圍

在巷道截割面設計時，可依據圖1 截割面設計，不必局限于矩形、直墻圓拱等形狀，同時避免多次移動，減少多次截割對巷道產生的影響，加劇圍巖的變形，從而達到節約掘進時間，提高掘進效率。

3.2 掘進機截割路徑

掘進機通過伸縮左右上下擺動懸臂進行巷道斷面截割，截割過程就是切割頭由點到線再到面的過程，不同的截割路徑適應不同的巷道尺寸，且產生不同的掘進速度?，F階段礦井掘進機截割路徑主要分為以下三種，即“S 形”、“回形”和“環形”，如圖2 所示。

圖2 不同截割路徑

根據924 運輸巷地質條件，在上述三種截割路徑中，為進一步確定適合當前地質條件的截割路徑，進行數值模擬對比分析。

模擬軟件采用Midas GTS NX 進行處理，二維模型尺寸45 m×55 m（寬×高），模型底部和兩側固定，上方施加覆巖自重，采用摩爾-庫倫模型，巷道“S 形”和“回形”截割4 次，計算參數如表2 所示。

表2 圍巖參數

通過對三種截割方式進行應力分析，獲得的云圖如圖3～圖5 所示，篇幅所限，“S 形”截割和“回形” 截割云圖只展示巷道第4 次截割后的云圖，“環形” 截割云圖展示巷道成圓及成巷后的云圖，然后對每種截割方式每次截割后巷道應力進行提取，具體結果如表3 所示，其中“S 形”分為自上而下和自下而上兩種截割方式，“回形” 分為順回形和逆回形兩種截割方式，“環形” 為一種截割方式。

圖3 “S 形”截割方式

表3 不同截割方式垂直應力分析

通過對每次截割最大應力進行提取獲得巷道頂幫垂直應力表，如表3～表5 所示。

分析圖3 和表3 可知，巷道自下而上無論在頂板應力還是在幫部應力顯現方面，都較自上而下方式??；分析圖4 和表3 可知，順回形和逆回形在巷道頂板應力顯現方面差別不大，在幫部應力，逆回形較順回形應力控制要好； 分析圖5 和表3可知，環形截割控制圍巖應力顯現方案，頂板圍巖效果較幫部應力效果好。綜合表3 可知，采用“S 形”自下而上截割能夠有效減緩應力顯現效果。

圖4 “回形”截割方式

圖5 “環形”截割方式

4 結語

基于東坡煤礦924 運輸巷地質條件進行巷道掘進工藝優化研究，確定基于掘進機截割面形狀進行巷道斷面截割設計，且采用“S 形”截割方式能夠有效地減緩巷道應力顯現，從而實現煤巷快速掘進。