矿井下高速掘进工艺的应用研究

2021-03-27李世杰

山西冶金 2021年1期

李世杰

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司生产技术部，山西寿阳 045400）

对煤炭生产企业来说，煤矿井下的综采作业效率直接决定了企业经济效益，因此在市场竞争愈加激烈的情况下，各个煤炭生产企业均在进行技术革新，提升井下的综采作业效率，随着综采面自动化水平的不断提升，煤矿井下的掘进速度成为了限制综采作业速度进一步提升的重要因素，通过对现有井下掘进工艺的分析，限制掘进速度提升的因素主要包括支护作业周期长、掘进机截割路径偏差大、反复修改巷道截面[1]，因此针对以上两个部分，在对支护作业方案和掘进作业流程进行全面分析的基础上，本文提出了一种新的高湿掘进工艺，其针对性的对井下支护方案和掘进截割路径进行优化，采用永久支护和临时支护相结合的方案，有效的降低了在巷道支护时的时间，同时提出了“蛇形”截割路径，能够有效降低截割作业时的截割阻力，提高截割作业效率和巷道的成形质量，根据实际应用表明，该告诉掘进工艺能够显著提升井下掘进作业的速度，其掘进效率比优化前提升了43%以上，具有极大的应用推广价值。

1 临时支护方案

煤矿井下为了确保综采作业的安全性，在综采和掘进作业前需要对巷道进行支护，传统支护方案均采用了永久支护方案结构，该方案虽然支护可靠性好、安全性高，但是也存在着支护作业效率低下、成本高的缺陷，因此为了提升井下支护作业速度，在长期研究的基础上提出了一种自移动式的临时支护结构，该支护设备和掘进机为分离式布置方式，将临时支护支架设置到掘进机的上侧，随着掘进机掘进作业的进行逐级前移，同时在掘进机两侧后后侧采用钢网锚索支护形式，待掘进机前移超过100m后便和采用永久立柱支护进行补充支护的方式提高掘进过程中的稳定性。该临时支护和永久支护相结合的方式优点在于缩短了在掘进作业前需要支护的巷道距离，同时能够在掘进作业过程中不断进行补充支护，支护时间比单纯采用永久支护降低了30%，临时支护结构如图1所示[2]。

图1 临时支护结构示意图

2 掘进工艺优化

传统的井下掘进工艺为“回”字型的掘进工艺[3]，进行掘进作业时，掘进机的截割机构从外侧/内侧开始下刀，沿着螺旋状的截割路径逐渐向内/向外进行截割作业，但在应用过程中会存在和截割机构掘进作业时在同一时刻仅有约1/3的截齿参与截割，作用在截齿上的截割阻力和磨损均较大，为了确保截齿的安全性，通常采用降速运行的方案进行切割。通过对井下掘进作业方式的分析，提出了一种新的“蛇形”截割作业方案，该截割作业方案包括从高到低截割路径和从低到高的截割路径，“蛇形”截割路径结构如下页图2所示。

“蛇形”截割作业流程主要包括巷道支护—掘进作业—横向切槽—迂回补切四个作业流程，当巷道支护结束后，掘进机就开始启动进行截割作业，截割时掘进机的截割机构首先对截割区域内的浮煤进行清扫，清扫完成后掘进机的截割机构就开始进行进刀，直到截割机构彻底切入到岩层内，随着切割的进行掘进机铲板上的传输机构开始运行，将切割下来的物料进行传输，然后掘进机的截割机构会在两侧进行小幅度的摆动，完成横向切槽作业，直到完成一个截面后，掘进机在对截割作业不完全的地方进行一个迂回补切，即可完成在一个截面上的全部掘进作业，由于优化了截割作业方案，截割相同体积的岩层所使用的时间比优化前降低了13%。

图2 “蛇形”截割路径示意图

3 掘进作业路径对巷道稳定性的影响

由于煤矿井下的地质条件复杂，掘进机在进行掘进作业时的截割路径对临近区域的地质稳定性具有十分重要的影响[4]，特别是采用临时支护与永久支护相结合的方式后，在临时支护位置的稳定性更为敏感，因此需要对不同截割路径下额巷道稳定性进行分析，选择对巷道稳定性影响最小的掘进作业路径。

在进行仿真分析时，本文采用了Midas GTS NX有限元模拟分析软件[5]，建立井下截割区域模型示意图，根据井下实际测量的地质情况，设置巷道顶板材料的弹性模量为19.25 GPa，其泊松比为0.31，设置煤层的材料的弹性模量为1.25 GPa，其泊松比为0.23，设置煤层的材料的弹性模量为16.41 GPa，其泊松比为0.17，然后分别采用由高到底的截割作业方式和由低到高的作业方式对截割作业过程中巷道顶板和帮部的最大位移量进行分析，结果如图3所示。

由仿真分析结构可知，在不同的截割作业路径作用下巷道帮部的变形量均随着截割作业次数的增加而增大，最大变形量均约440 mm。当采用由高到低的截割作业方式时，随着截割次数的增加巷道的变形量逐渐加大，最大变形量约为220 mm，而采用由低到高的截割作业方式时，随着截割次数的增加巷道的变形量先增加然后再逐渐降低，最大变形量约为101 mm，比从高到底作业时的变形量降低了54.1%，由此可知，采用由低到高的截割作业路径稳定性高于从高到底的截割作业路径。