煤礦井下智能化高速掘進(jìn)工藝的應(yīng)用研究

李廣友

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

隨著煤礦井下單產(chǎn)水平的不斷增加，井下巷道掘進(jìn)效率越來越成為影響井下綜采效率的核心瓶頸，特別是在大深度、大斷面、地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，需要更加牢固的支護(hù)方案、更加平穩(wěn)的掘進(jìn)方案，在一定程度上都限制了巷道掘進(jìn)效率的進(jìn)一步提升。

本文經(jīng)過對井下巷道掘進(jìn)工藝流程的分析，確定了影響巷道井下掘進(jìn)效率的主要因素是掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方案、井下綜掘面各工序配合方式以及井下巷道支護(hù)形式，因此針對性的提出了不同地質(zhì)條件下的截割作業(yè)優(yōu)化方案、多工序并行綜掘作業(yè)方案以及錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固方案，顯著提升了煤礦井下巷道的掘進(jìn)效率，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的巷道掘進(jìn)方案能夠?qū)⑾孪锏谰蜻M(jìn)效率提升32.7%，將巷道頂板下沉量降低72.6%，將巷道幫部位移量降低84.4%，為優(yōu)化井下掘進(jìn)方案、提升井下巷道掘進(jìn)安全性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 巷道掘進(jìn)效率影響因素分析

以陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡稱開元）9號煤層地質(zhì)條件為研究對象，井下巷道煤層的平均厚度為5.2 m，巷道頂板、圍巖多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，巷道凈斷面截面積為18.5 m2，巷道頂板在周期性來壓時(shí)會(huì)承受較大的壓力，導(dǎo)致巷道頂板下沉、支護(hù)錨桿斷裂，井下掘進(jìn)速度僅4.3 m/d，在巷道掘進(jìn)過程中頂板的最大下沉量約為142.3 mm，巷道兩幫的最大變形量約為179.5 mm，無法滿足井下支護(hù)可靠性的需求。

通過對井下巷道掘進(jìn)工藝流程的分析，影響巷道掘進(jìn)效率的因素主要包括以下幾個(gè)部分[1]：

1）巷道掘進(jìn)方案不合理，由于井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道頂板存在著完整態(tài)、頂板破碎態(tài)二種狀態(tài)，而井下采用掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)均采用了順時(shí)針的巷道截割方案，導(dǎo)致在截割頂板破碎態(tài)時(shí)極易出現(xiàn)塌方，影響井下實(shí)際巷道掘進(jìn)效率。

2）施工工序分布不合理，井下巷道掘進(jìn)時(shí)，需要大量的人員相互配合作業(yè)，但由于管理制度落后，導(dǎo)致在井下實(shí)際作業(yè)時(shí)，多種作業(yè)工序只能串行，極大地影響了煤礦井下巷道掘進(jìn)效率和安全性。

3）支護(hù)方案不合理，由于井下頂板礦壓波動(dòng)大，因此對支護(hù)安全性要求很高，但由于采用傳統(tǒng)的單錨桿支護(hù)方案，導(dǎo)致支護(hù)時(shí)需要大量的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，而且大量使用錨固劑，凝固速度慢，影響了巷道掘進(jìn)效率，進(jìn)而影響到井下巷道的掘進(jìn)效率。

2 巷道掘進(jìn)方案優(yōu)化

由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道頂板處存在著多處破碎區(qū)，在傳統(tǒng)掘進(jìn)方案中，采用掘進(jìn)機(jī)一次掘進(jìn)成型方式，但由于頂板碎裂嚴(yán)重，因此會(huì)產(chǎn)生大量的碎石，需要不斷的停機(jī)清理，因此導(dǎo)致井下巷道掘進(jìn)效率低下，因此結(jié)合井下實(shí)際情況，本文提出了巷道掘進(jìn)優(yōu)化方案，采用了短掘短支的方案，根據(jù)巷道的實(shí)際情況，優(yōu)化截割路徑。

掘進(jìn)機(jī)選擇了懸臂式掘進(jìn)機(jī)，具有截齒密實(shí)、單軸抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在進(jìn)刀時(shí)選擇在煤巖結(jié)合處進(jìn)刀，先截割煤炭再截割巖層，提高截割穩(wěn)定性，掘進(jìn)機(jī)在不同地質(zhì)條件下的掘進(jìn)截割路徑如下頁圖1所示，因地制宜的采用最佳的掘進(jìn)機(jī)截割路徑[2]，能夠有效地提升巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)大范圍的碎石垮落，縮短了停機(jī)清理時(shí)間，有效地提升了巷道井下掘進(jìn)效率和安全性。

圖1 不同地質(zhì)條件下截割路徑示意圖

3 施工工序優(yōu)化

傳統(tǒng)施工方案中，在井下綜采面上安裝頂部錨桿和安裝幫部錨桿、掘進(jìn)設(shè)備維護(hù)及延長跟機(jī)電纜等均是串行作業(yè)，雖然能夠一定程度上減少綜掘面同時(shí)工作的人員數(shù)量，但嚴(yán)重制約了井下綜掘作業(yè)的進(jìn)度，因此在對掘進(jìn)工序及作業(yè)流程進(jìn)行科學(xué)分析后對相關(guān)工序進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)了多工序的平行作業(yè)，有效的提升了井下巷道掘進(jìn)進(jìn)度，優(yōu)化后的平行作業(yè)工序如圖2所示。

圖2 多工序平行作業(yè)圖

4 支護(hù)方案優(yōu)化

在傳統(tǒng)的單錨桿支護(hù)方案中，錨桿的間距為1000 mm×1000 mm，支護(hù)密度大、支護(hù)效率低、成本高，因此在對井下巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，提出了采用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固方案，詳細(xì)的支護(hù)參數(shù)如表1所示，同時(shí)為了提升巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，在錨桿之間采用圓鋼進(jìn)行焊接，提高在礦壓波動(dòng)下的穩(wěn)定性。

表1 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)表

為了提升在頂板破碎區(qū)域的支護(hù)穩(wěn)定性，需要在巷道內(nèi)進(jìn)行注漿加固，注漿時(shí)可以選擇ZBQS-12/10型便攜式注漿泵，注漿材料選用快速速凝材料，注漿時(shí)注漿參數(shù)如表2所示，為了確保注漿效果，需要采用交錯(cuò)注漿，注漿完成后利用袋式封孔方式進(jìn)行快速封孔，保證注漿液能夠快速進(jìn)入到巖層內(nèi)[3]。

表2 注漿加固參數(shù)表

采用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固的方案具有支護(hù)效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，有效提升了巷道井下支護(hù)的可靠性。

5 應(yīng)用效果分析

為了對優(yōu)化后的巷道掘進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，在巷道內(nèi)采用十字布點(diǎn)的方式[4]對巷道頂板和巷幫進(jìn)行支護(hù)，其優(yōu)化后的變形量如圖3所示。

圖3 頂板及巷幫變形量

由圖3可知，優(yōu)化后頂板的最大變形量約為39 mm，比最初的142.3 mm降低了72.6%，優(yōu)化后巷幫的最大變形量為28 mm，比最初的179.5 mm降低了84.4%，顯著提升了巷道的支護(hù)穩(wěn)定性。在優(yōu)化后巷道的掘進(jìn)效率由最初的4.3 m/d，提升到了目前的6.4 m/d，效率提升了32.7%，極大地提升了井下巷道掘進(jìn)效率。

6 結(jié)論

針對煤井下巷道掘進(jìn)效率低，嚴(yán)重影響井下綜采作業(yè)效率的不足，在對巷道掘進(jìn)工藝流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的井下高速掘進(jìn)工藝，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證表明：

1）巷道掘進(jìn)方案不合理、施工工序分布不合理，支護(hù)方案不合理是影響巷道掘進(jìn)效率的主要因素。

2）因地制宜的采用最佳的掘進(jìn)機(jī)截割路徑，能夠有效的提升巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)大范圍的碎石垮落，縮短了停機(jī)清理時(shí)間，有效的提升了巷道井下掘進(jìn)效率和安全性。

3）采用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固的方案具有支護(hù)效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，有效提升了巷道井下支護(hù)的可靠性。

4）的巷道掘進(jìn)方案能夠?qū)⑾孪锏谰蜻M(jìn)效率提升32.7%，將巷道頂板下沉量降低72.6%，將巷道幫部位移量降低84.4%，為優(yōu)化井下掘進(jìn)方案、提升井下巷道掘進(jìn)安全性和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。