三元煤業(yè)某礦大斷面巷道掘進(jìn)中切割路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵春瑞

（山西三元煤業(yè)股份有限公司， 山西 長治 046013）

引言

巷道斷面在掘進(jìn)過程中，其斷面的形狀是通過掘進(jìn)機(jī)截割頭不停切割而形成的[1]。掘進(jìn)機(jī)懸臂的活動(dòng)范圍對巷道斷面形狀和大小都有重要影響[2]。截割頭在工作時(shí)，表現(xiàn)出點(diǎn)→線→面的過程。截割頭在運(yùn)動(dòng)過程中，需要盡可能讓截割頭的運(yùn)動(dòng)路徑最短，并且使煤塊能夠更多地落下[3]。已有大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，掘進(jìn)機(jī)截割頭的切割路徑會(huì)對采煤過程產(chǎn)生重要的影響，比如會(huì)對巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響等，另外也會(huì)影響掘進(jìn)采煤效率[4-5]。所以，在分析煤礦巷道實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)機(jī)截割頭的切割路徑進(jìn)行分析和研究，找到最優(yōu)的切割路徑，對于保障巷道圍巖穩(wěn)定性以及提升掘進(jìn)采煤效率具有重要的實(shí)踐意義[6]。

1 工程概況

三元煤業(yè)某礦13 號(hào)煤層，其煤層厚度范圍為10.32～26.87 m，平均煤層厚度大小為16.84 m，煤層在中西部和西北部區(qū)域的煤層厚度相對較薄，朝南部、西部和東部方向厚度均呈現(xiàn)慢慢增加的趨勢，經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn)在東南區(qū)域存在風(fēng)化和剝蝕現(xiàn)象，煤層的可采性系數(shù)為1，即全區(qū)可采。煤層頂板主要是泥巖，另外還包含有部分砂巖、粉沙巖和砂質(zhì)泥巖。底板同樣主要是泥巖，部分區(qū)域還包含有砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖。擬采用EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，設(shè)計(jì)的巷道斷面規(guī)格尺寸為4.7 m×4.05 m，屬于大斷面巷道。

2 掘進(jìn)機(jī)截割頭常見切割路徑

2.1 “蛇形”切割路徑

如下頁圖1-1 所示為“蛇形”切割路徑。蛇形切割路徑在煤礦巷道掘進(jìn)過程中有非常廣泛的應(yīng)用，具體而言，還可以進(jìn)一步劃分成為由下至上和由上至下兩種模式。以從下至上的方式切割時(shí)，截割頭首先從幫部的底部位置開始截割，懸臂在水平方向上進(jìn)行擺臂運(yùn)動(dòng)，在橫向方向上完成掏槽工作，到達(dá)另一側(cè)巷幫后，在懸臂作用下截割頭向上運(yùn)動(dòng)一定的距離，通常移動(dòng)距離為截割頭直徑大小，再次在橫向方向上移動(dòng)。通過這樣的方式來回截割完成整個(gè)斷面的掘進(jìn)，截割頭每次向上移動(dòng)時(shí)，具體的移動(dòng)距離不得超過截割頭直徑大小，具體情況需要視煤巖硬度大小決定，必須要確保截割功率在設(shè)備的額定功率以下。

2.2 “回形”切割路徑

如下頁圖1-2 為“回形”切割路徑?！盎匦巍鼻懈罟に嚶窂酵瑯討?yīng)用廣泛，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向不同，可以將其劃分成為“順回”和“逆回”兩種。以“逆回”的方式進(jìn)行切割時(shí)，截割頭首先運(yùn)動(dòng)至左幫下部位置，然后從左至右水平方向移動(dòng)，截割頭到達(dá)右?guī)臀恢脮r(shí)，改變方向從上至下直接運(yùn)動(dòng)到頂板位置，在懸臂的作用下截割頭在頂板位置又從右?guī)蛥^(qū)域運(yùn)動(dòng)到左幫區(qū)域，再沿著左幫位置從頂板運(yùn)動(dòng)到底板，這樣就形成了一個(gè)“回形”循環(huán)。經(jīng)過多次“回形”循環(huán)后，完成整個(gè)大斷面的截割工作。

2.3 “螺旋形”切割路徑

下頁圖1-3 為“螺旋形”切割路徑。采用“螺旋形”切割路徑時(shí)，截割頭首先在整個(gè)巷道的中心位置進(jìn)刀，然后截割頭做螺旋線運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)截割過程。這種截割路徑?jīng)Q定了截割頭需要同時(shí)在水平和豎直兩個(gè)方向上進(jìn)行精確控制，這對掘進(jìn)機(jī)的操作人員提出了非常高的要求。采用這種切割路徑形成的斷面為圓形，所以在最后還需要對兩幫和頂?shù)装宓木植繀^(qū)域進(jìn)行修整處理，最終形成想要的矩形斷面。

圖1 三種掘進(jìn)機(jī)截割頭切割路徑示意圖

上述的三種切割路徑在實(shí)踐中均有比較多的應(yīng)用，主要是因?yàn)檫@幾種切割形式截割頭基本上不存在空轉(zhuǎn)運(yùn)行的情況，能夠降低掘進(jìn)機(jī)的能源浪費(fèi)，提升設(shè)備的工作效率。為研究上述三種掘進(jìn)機(jī)截割頭切割路徑對三元煤業(yè)某礦13 號(hào)煤層掘進(jìn)過程的影響，基于有限元軟件對三種切割路徑進(jìn)行了模擬分析，旨在確定最合適的切割路徑。

3 掘進(jìn)機(jī)截割頭切割有限元模型的建立

基于Midas GTS NX 有限元軟件來分析不同截割路徑下巷道圍巖的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的截割路徑。為盡可能提升模擬分析結(jié)果的真實(shí)性，將模型的高度和寬度分別設(shè)置為50 m 和40 m，巷道尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，即高度和寬度分別為4.05 m 和4.7 m。網(wǎng)格尺寸會(huì)對模型的計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生重要影響，為了提升計(jì)算結(jié)果的精度并降低整個(gè)模型的計(jì)算時(shí)間，本模型中采用非均勻化網(wǎng)格。在巷道圍巖附近將網(wǎng)格尺寸適當(dāng)縮小為0.5 m，而在距離巷道圍巖相對較遠(yuǎn)的位置，為了加快計(jì)算速度，將網(wǎng)格尺寸適當(dāng)增大，設(shè)置為0.7 m，在模型的外圍區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格大小設(shè)置為1 m。

模型中煤層和圍巖屬性的準(zhǔn)確設(shè)置同樣非常重要，會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果。13 號(hào)煤層頂板主要是泥巖，另外還包含有部分砂巖、粉沙巖和砂質(zhì)泥巖。底板主要是泥巖，部分區(qū)域還包含有砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖。為了簡化計(jì)算過程，假設(shè)頂板由泥巖和粉砂巖組成，底板由泥巖構(gòu)成。相關(guān)的物理參數(shù)如表1 所示。將表中的各項(xiàng)物理屬性根據(jù)要求輸入到模型中參與計(jì)算。

4 掘進(jìn)機(jī)切割路徑的優(yōu)化分析

4.1 不同切割路徑對比分析

4.1.1 “蛇形”切割路徑應(yīng)力分布情況

如圖2 所示為“蛇形”切割路徑條件下巷道表面應(yīng)力變化曲線。從圖中可以看出，在第1 次切割時(shí)，幫部位置出現(xiàn)了相對較大的應(yīng)力值，后續(xù)切割次序時(shí)，應(yīng)力基本保持平穩(wěn)，幫部位置的應(yīng)力平均值為7.964 MPa。而底板應(yīng)力整體上呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，變化幅度不是特別大，應(yīng)力平均值為4.441 MPa。

表1 煤層和圍巖物理屬性

圖2 “蛇形”切割路徑應(yīng)力變化曲線

4.1.2 “回形”切割路徑應(yīng)力分布情況

如圖3 所示為“回形”切割路徑條件下巷道表面應(yīng)力變化曲線。從圖中可以看出，在第1 次切割時(shí)，幫部位置同樣出現(xiàn)了相對較大的應(yīng)力值，在后續(xù)各切割次序中，應(yīng)力值快速降低并保持穩(wěn)定，幫部位置的應(yīng)力平均值為9.546 MPa。頂板位置的應(yīng)力值，除第2 次切割之外，其他各次切割時(shí)應(yīng)力值相差不大，第2 次切割時(shí)將近達(dá)到了14 MPa，應(yīng)力平均值為10.037 MPa。

圖3 “回形”切割路徑應(yīng)力變化曲線

4.1.3 “螺旋形”切割路徑應(yīng)力分布情況

圖4 “螺旋線”切割路徑應(yīng)力變化曲線

如下頁圖4 所示為“螺旋形”切割路徑條件下巷道表面應(yīng)力變化曲線。從圖中可以看出，整個(gè)切割過程中，不管是頂部位置還是幫部位置的應(yīng)力值，均出現(xiàn)了非常明顯的變化，并且變化沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。在前面4 次切割中應(yīng)力值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，而第5 次切割反而呈現(xiàn)出增加的趨勢。頂板位置和幫部位置的應(yīng)力平均值分別為3.455 MPa 和7.861 MPa。

4.2 最優(yōu)切割路徑的選擇

基于以上分析可以看出，在三種切割路徑中，“回形”切割路徑巷道表面的應(yīng)力值平均值相對最大，而“螺旋形”切割路徑和“蛇形”切割路徑巷道表面地應(yīng)力平均值基本相當(dāng)。所以就這個(gè)角度而言，“螺旋形”切割路徑和“蛇形”切割路徑具有更大的優(yōu)勢。但是“螺旋形”切割路徑在切割過程中，必須對水平方向和豎直方向同時(shí)進(jìn)行精確控制，這對掘進(jìn)機(jī)操作人員提出了較高要求。就這個(gè)角度而言，“蛇形”切割路徑較“螺旋形”切割路徑具有更大的優(yōu)勢。綜合各方面因素，認(rèn)為“蛇形”切割路徑更適合三元煤業(yè)某礦大斷面巷道掘進(jìn)過程，既可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，又便于操作。

5 結(jié)論

1）對于大斷面巷道掘進(jìn)過程而言，掘進(jìn)機(jī)截割頭的截割路徑會(huì)對掘進(jìn)過程產(chǎn)生一定程度的影響，尤其是會(huì)影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2）基于Midas GTS NX 有限元軟件建立了大斷面巷道圍巖掘進(jìn)過程模型，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“螺旋形”“蛇形”切割路徑對應(yīng)的巷道表面應(yīng)力相對較小，考慮到“蛇形”切割路徑控制過程更加簡單，建議選用該方案作為三元煤業(yè)某礦大斷面巷道掘進(jìn)過程的切割路徑。