煤巷快速掘进工艺及临时支护工艺的改进

张记华

（霍州煤电集团吕梁山煤电公司店坪煤矿调度室， 山西 方山 033100）

引言

煤矿生产包括掘进和回采两个阶段的工艺，掘进效率和巷道的成型质量直接决定后期回采阶段的生产效率与安全性。目前，追求煤巷的快速、安全掘进尤为重要。超前临时支护是保证煤巷快速掘进的基础，当前煤矿超前临时支护由于自动化程度偏低且支护速度较慢，导致其无法与锚网支护相互协调高效配合达到快速掘进的目的[1]。除此之外，选择合理、高效的掘进工艺也尤为重要。本文重点对煤巷快速掘进工艺和临时支护设备进行改进，以保证煤矿掘进的高效性和安全性。

1 影响煤巷快速掘进效率的主要因素

从理论上讲，影响煤巷快速掘进效率的主要因素包括机械设备的选型、工程地质条件、施工工艺、掘进工艺及临时支护等。除此之外，可全面地将影响煤巷掘进效率的因素进行罗列，如图1 所示。

图1 影响煤巷掘进效率的关键因素

1）涉及煤巷掘进的机械设备包括掘进机、锚杆钻机、运输设备。目前，应用于煤巷开拓的掘进机以悬臂式掘进机为主，国产悬臂式掘进机存在刀具磨损严重、维护时间过长等缺陷，最终导致掘进效率不高且采掘比例失调的问题。同时，悬臂式掘进机缺乏基于刀具切割岩石判断工作状态的技术[2]。虽然锚杆钻机已经集成于悬臂式掘进机中，但是无法实现锚杆钻机远距离操作下的精准定位，这也是影响掘进效率和安全生产的主要因素。可应用于煤巷掘进的输送机包括刮板输送机、伸缩式胶带输送机、矿车、梭式采矿车等，各煤矿需结合实际情况合理选择最佳运输设备。

2）在实际掘进过程中应尽量避免与断层、节理发育不良等地质路段接触；若无法避免，应提前作预案，并采用最新的掘进工艺和方法完成掘进任务。

3）结合我国当前的掘进技术基础和设备能力，可采用的掘进施工工艺包括悬臂式掘进机和单体锚杆钻机相互配合的施工工艺、以采煤机和独立锚杆钻机相互配合的施工工艺及通过掘锚一体化机组完成掘进施工[3]。各种掘进施工工艺各有利弊，需综合煤巷地质条件和生产任务综合确定。

4）以掘进机为核心的掘进工艺需经历大约11道工序，且巷道的截面一般以矩形为主。以悬臂式掘进机为主的掘进工序如图2 所示。

图2 悬臂式掘进机掘进工序（单位：mm）

采用如图2 所示的悬臂式掘进机掘进工序具有施工便捷性好、组织协调简单的优点；但是，该工艺对煤巷的地质条件要求较高，主要适用于对硬煤巷、岩巷的掘进，并在掘进前期采用超前支护，以保证掘进的安全性。

5）针对悬臂式掘进工艺涉及的超前支护技术包括前探梁支护、机载临时支护及自移式迈步支架支护技术等。目前，针对悬臂式掘进工艺的超前支护主要存在不被重视、支护速度慢等问题，导致最终支护效果不佳。

结合上述对影响煤巷快速掘进效率的主要因素进行分析，本文重点从掘进工艺和临时支护设备两方面进行改进，以提升煤巷的掘进速度。

2 煤巷快速掘进工艺的改进

本文以悬臂式掘进机为核心的掘进工艺展开研究，掘进机切割路径是影响掘进效率的主要掘进工艺之一。目前，可采用的掘进机切割路径包括蛇形、回形及螺旋形三种。本节将采用数值模拟分析的手段对三种不同掘进机切割路径下对应的煤巷顶板和两帮所承受的垂直应力进行对比分析，最终确定出适用于研究工作面的最佳掘进切割路径[4]。

本文所研究煤巷采用的掘进机具体型号为EBZ160A，该型悬臂式掘进机的最大截割功率为250 kW，最大掘进高度和宽度分别为4.8 m、5.6 m，可适用的坡度为±16°。所应用煤巷的地质条件参数如表1 所示。

表1 煤巷地质条件参数汇总

基于Midas GRS NX 软件并结合所研究煤巷的实际情况建立数值模拟模型，并结合实际地质条件参数对模型中的参数进行设置，对不同切割路径对应掘进工艺的顶板和两帮平均垂直应力进行对比，对比结果如表2 所示。

表2 不同切割路径对应推进方式下平均垂直应力

由表2 所示，回形切割路径从上至下和从下至上两种推进方式对应顶板与两帮的平均垂直应力均为最大值；而螺旋形切割路径和蛇形切割路径中的从上至下推进方式的平均垂直应力相近；蛇形切割路径中对应的从下至上推进方式的平均垂直应力最小。因此，适用于本文所研究煤巷的最佳掘进工艺为蛇形切割路径中的从下至上的推进方式。

3 临时支护工艺的改进

为保证最终煤巷掘进效率和安全性，要求临时支护工艺与所采用的掘进工艺相互配套。结合本煤巷所采用的蛇形切割工艺的从下至上的推进方式，本工程拟将临时支护工艺与永久支护工艺相互融合，最终达到节约支护时间、提升支护效果、快速掘进的目的[5]。

所谓临时和永久支护相互融合指的是，将临时支护与永久支护中相类似的工序，包括挂网、钢带托盘布设、钻孔定位及锚杆钻机的移机等均融合至临时支架中。支护“合二为一”的工艺可以在掘进机边掘进边施工，不仅可以省去独立的临时支护时间，还可以对永久支护工序进行简化。实践表明，支护“合二为一”工艺可将永久支护施工缩短1/4 的周期，大大提升了掘进效率，降低了作业人员的劳动强度。

4 结语

煤巷掘进效率、安全性及最终的巷道成型质量是影响煤巷后期回采效率和安全性的主要因素。为实现煤巷的快速掘进任务，需对涉及的掘进设备、施工工艺、掘进工艺、临时支护形式及地质条件综合分析，最终选择最佳的掘进工艺。本文重点针对影响掘进效率的因素对其中的掘进工艺和支护工艺进行改进设计，并总结如下：

1）通过对回形、蛇形及螺旋形三种切割路径下不同推进方式对应煤巷顶板和两帮的平均垂直应力进行对比分析，得出适用于本煤矿的最佳掘进工艺为蛇形切割路径下对应的从下至上的推进方式。

2）将挂网、钢带托盘布设、钻孔定位及锚杆钻机的移机永久支护与临时支护相融合，达到节约支护时间、降低作业人员劳动强度的目的，为实现快速掘进奠定了坚实的基础。