矿井巷道高速掘进技术研究

潘 翔

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037000）

引言

我国的工业化发展需要大量的能源来进行保障，煤炭是最重要的一种，其在社会经济的发展中发挥着十分重要的作用。在开采煤炭的过程中需要采取大量的支护及掘进操作，尤其是伴随着综采深度的增加，矿井下的地质条件越来越复杂，巷道围岩的稳定性也越来越差，当前为了确保巷道支护的稳定性，矿井大多通过增加顶锚杆的支护密度来实现，但是这种操作不仅会降低支护作业的效率，而且会增加支护作业的成本。在以往的掘进作业中，其首要步骤就是对巷道实施切割，然后再实施扩孔作业，巷道基本无法高效、高质量的成型，在掘进作业中大部分工作都需要采取串行操作的方法，这就对掘进工作的效率产生了一定的影响[1-2]。为了分析掘进作业对巷道掘进效率产生影响的各个因素，通过运用FLAC3D 模拟软件来进行模拟分析，其主要是针对顶板的支护方案来设计，明确了最恰当的顶板锚杆排距，降减少了支护作业所需的任务量和所需时间。根据掘进机开展截割作业的需求，本文提出了一种由上而下的截割路径，该路径呈现为“S”型，以此来完成掘进作业方式的改善。同时，通过对掘进作业的工序进行调整，掘进作业实现了多道工序并行的目标。通过实际应用，本次设计明显提升了掘进工作的效率和稳定性。

1 顶板锚杆排距优化

在开展巷道掘进作业、实施顶板支护的过程中，锚杆排距将会对围岩的安全性及稳定性发挥着十分重要的作用。若排距相对较密，尽管能够提高围岩的稳定性，但同时也会导致支护所需成本的增加及支护效率的降低，因此，为了改善掘进工作的效率及质量，矿井首先就需要优化支护体系，在明确支护作业安全的条件下，尽可能提升支护作业的效率，降低所需成本。

FLAC3D 模拟分析软件具有一定的三维型，可以同时模拟分析岩石、土质及其他材料的三维结构的受力特性[3]。选择一些典型的掘进巷道结构来进行研究，该巷道的断面呈现为矩形，宽度和高度分别为6 200 mm 和7 900 mm，巷道的顶板岩层为砂质泥，这种地质一旦遇水极易膨胀，导致顶板垮塌事件的发生，整体围岩不具备稳定的结构，在开展支护操作时，其顶板锚杆有着较密的排距，因此无法取得较好的支护效率。通过运用这个模拟软件来进行分析，从800 mm、1 000 mm 和1 200 mm 三种排距中筛选出最佳的排距，并分析其锚距不同条件下的受力状况，如图1 所示。

图1 不同锚间距情况下的应力及巷道变形量

从图1-1～图1-3 可以发现，在设定800 mm 的锚间距时，支护系统在矿压发生波动时的最大应力为38.6 MPa；当设定1 000 mm 的锚间距时，支护系统在矿压发生波动时的最大应力为53.90 MPa；当设定120 mm 的锚间距时，支护系统在矿压发生波动时的最大应力为62.35 MPa，因此，在矿压波动下，支护系统所受到的力会随着锚间距的增加而增加，同时也会越来越不稳定。在锚间距大于1 000 mm 的时候，矿压波动下，其所受到的应力不会再出现较大的变化。从图1-4 可以发现，两帮的移近量和顶板的下沉量均会随着锚间距的扩大而不断扩大，同时变形量也会急剧增长。由此可知，支护效果在间距为1 000 mm 时为最佳。通过在矿井下进行实际应用发现，锚间距在完成优化之后，在维持其他条件不变的情况下，支护事件得到显著降低，而支护的安全性和效率显著提升。

2 掘进机进刀方式及作业流程优化

在开展截割作业的时候，传统的掘进机首先需要截割出一个大致的巷道框架，之后再依据矿井的实际情况来进行调整，直到其满足了巷道的轮廓要求，在进行操作的时候存在极高的随机性，并且不断的修正会对掘进工作的效率产生较大的影响[4-5]。基于此，提出了一种全新的截割路径，其形状为“S”形，截割作业首先会从巷道的下端来进行，之后在逐步向上进行截割，促使巷道掘进可以完成一次成型，图2 所示为新型截割路径。

图2 “S”形一次截割成型路径示意图

在以往的掘进工作中，巷道之内的支护及掘进工作均采取串行方式来进行，只有支护作业完全结束之后，才可以进行掘进，两种作业相互分离，导致掘进机无法形成较高的开机率，进而对掘进工作的速率也产生了极大的影响[6-7]。因此，对掘进工作进行优化，提出了一种平行作业的方法，这种方法可以有效提升掘进工作的效率及质量；通过对掘进作业的实际流程进行分析，本文提出了一种最终的优化方案，通过将迎头进行一定的滞后实现支护技术的弱化。在整个支护过程中，首先需要在稳定性较差的顶板和顶角部位来设定锚杆，然后在将滞后安装顶板锚杆，这一环节需要在掘进机滞后完成，不能对掘进机的运行产生影响，促使两项作业可以同时进行，使掘进机具备了较高的开机率，同时也可以实现多项作业的平行作业，具体如图3 所示。通过具体实践显示，通过对截割方式进行优化及采取平行作业之后，掘进工作的效率和质量可得到显著提升。

图3 多工序平行作业示意图

3 结语

在掘进工作中，因围岩存在较高的不稳定性，这就对其效率产生了极大的阻碍[8]。通过对高速掘进技术实施分析，运用仿真模拟的方法来明确最佳的顶锚杆间距，同时对掘进机的截割路径进行优化、采取多道工序并行的操作等来提升掘进工作的效率，通过实践显示：

1）当选择1 000 mm 作为锚间距时，其支护作业可以取得最佳的效果。根据具体实践可以发现，在对锚间距进行优化之后，在其他条件维持不变的时候，支护时间得到明显降低，而支护的效率及安全性得到显著提升。

2）在截割路径得到优化的条件下，截割作业首先会从巷道的下端来进行，之后在逐步向上进行截割，促使巷道掘进可以完成一次成型，由此来提升成型的效率及效果。

3）通过对截割方式进行优化及采取并行作业之后，掘进工作的效率可以得到显著提升，且效率和质量也得到极大提升。