矿井煤巷快速掘进技术实践

王汉涛

（中煤资源发展集团有限公司朔州分公司，山西 朔州 036000）

巷道掘进是矿井生产的重要内容，是保证矿井采掘接替，高产稳产的关键技术措施[1]。随着采煤机械化水平的不断提高，工作面煤炭回采速度不断加快，矿井生产面临采掘失调，巷道掘进速度偏低的现象，巷道的生产周期和生产成本不断增加。同时掘进作业期间，矿井需进行超前临时支护工作，当前巷道超前临时支护机械自动化程度较低，支护速度不高，制约了巷道的掘进速度[2]。

国内外众多研究学者对巷道快速掘进工作进行广泛研究。刘一凡[3]通过改进现有超前支架结构，提出基于弱支撑，强防护的新型机载超前临时支架，并通过力学验证，数值模拟和现场试验等方法进行支架效果验证，一定程度提高了巷道掘进速度。惠兴田[4]等人总结分析现有3 种快速掘进技术存在问题，提出基于悬臂式掘进机如何高效工作的方式进行煤巷快速掘进进行分析验证。康宇[5]认为采用液压系统临时支护达到对空顶区域的有效支护，避免人的因素导致空顶区作业危险，提高巷道临时支护的安全系数。王群[6]基于矿井实际地质条件进行临时支护设备设计，通过弹性力学、数值建模等方法进行了设备强度和刚度验证，为巷道快速掘进奠定基础。

上述学者的研究丰富了矿井煤巷快速掘进技术的研究内容，但研究多集中于巷道掘进设备设计的系统研究，对矿井快速掘进的技术内容研究较少。本文以东坡煤矿924 工作面运输巷道为研究背景，进行巷道快速掘进技术研究，为矿井巷道安全快速施工提供指导。

1 工程地质概况

924 运输巷掘进工作面所采9#煤位于太原组中下部，工作面煤层厚度14.2～15.2 m，平均厚度15 m，厚度较稳定。煤层中含夹矸4～5 层，夹矸厚度0.2～0.8 m 不等。

根据区内及相邻钻孔资料、物探成果资料和相邻工作面实际揭露资料分析：924 运输巷煤层底板北高南低，中间略有起伏，总体形态为向斜构造，其间可能伴有规模较小的褶曲，地质条件中等。煤层倾角由北向南逐渐变大，倾角在1°～8°之间，平均5°。

巷道断面5.5 m×3.5 m，顶底板围岩强度较弱，如表1 所示。

表1 巷道顶底板岩性

2 巷道快速掘进影响因素分析

巷道快速掘进是一项综合性工程，提高掘进速度的关键在于合理安排掘进的每道工序，提高设备的自动化程度。但掘巷影响因素众多，各个因素又相互作用，在地质条件、设备选型等条件的影响下，现阶段煤巷掘进效率并不理想。

2.1 机械设备

（1）掘进机虽然在我国矿井广泛应用，但是整机质量不高，刀具磨损严重，维修时间长，操作不规范，地质条件不适应等都对掘巷速度产生影响。

（2）现在锚杆钻机多已加装于悬臂掘进机上，虽然一定程度提高了机械化水平，但全断面钻眼及远距离操作定位仍存在困难，折叠结构维修频率较高。

（3）随着技术不断发展，现已形成多种的运输设备配套体系，不同的运输设备能够适应多种地质环境，制约掘进速度最大的问题在于运输设备与其他机械设备的匹配度。

2.2 工程地质条件

煤巷掘进过程中主要受到煤岩层层理空隙发育状况、煤岩体硬度、完整性、水文地质条件、巷道围岩稳定性以及各类地质构造等因素影响，良好的围岩地质条件有利于巷道快速掘进，不利的地质条件不仅影响掘进速度，同时影响临时支护，从整体制约巷道掘进效率。

2.3 施工内容

（1）煤巷掘进施工流程主要有割煤、装煤、运煤和支护。针对不同条件，现已发展多种机械化的掘进施工工艺，不同工艺各有利弊，在采掘比例失调大背景下，只能暂时满足生产需要。

（2）煤巷掘进工序的管理是掘进工艺重要的组成内容，合理的工序安排，不仅提高掘巷速度，同时保证掘巷质量。

（3）支护是巷道掘进中最费时间的工作，可分为永久支护和临时支护，支护目的是保证生产的安全，部分矿井为了提高掘巷速度，放弃临时支护，若造成安全事故，掘进速度仍无法保证。

3 巷道快速掘进工艺应用与实践

3.1 掘进机截割形状

924 运输巷采用EBZ-200 型悬臂式掘进机施工，该掘进机机体不动，截割臂伸缩及左右上下摇摆时，可切割范围如图1 所示。

图1 掘进机摆臂截割范围

在巷道截割面设计时，可依据图1 截割面设计，不必局限于矩形、直墙圆拱等形状，同时避免多次移动，减少多次截割对巷道产生的影响，加剧围岩的变形，从而达到节约掘进时间，提高掘进效率。

3.2 掘进机截割路径

掘进机通过伸缩左右上下摆动悬臂进行巷道断面截割，截割过程就是切割头由点到线再到面的过程，不同的截割路径适应不同的巷道尺寸，且产生不同的掘进速度。现阶段矿井掘进机截割路径主要分为以下三种，即“S 形”、“回形”和“环形”，如图2 所示。

图2 不同截割路径

根据924 运输巷地质条件，在上述三种截割路径中，为进一步确定适合当前地质条件的截割路径，进行数值模拟对比分析。

模拟软件采用Midas GTS NX 进行处理，二维模型尺寸45 m×55 m（宽×高），模型底部和两侧固定，上方施加覆岩自重，采用摩尔-库伦模型，巷道“S 形”和“回形”截割4 次，计算参数如表2 所示。

表2 围岩参数

通过对三种截割方式进行应力分析，获得的云图如图3～图5 所示，篇幅所限，“S 形”截割和“回形” 截割云图只展示巷道第4 次截割后的云图，“环形” 截割云图展示巷道成圆及成巷后的云图，然后对每种截割方式每次截割后巷道应力进行提取，具体结果如表3 所示，其中“S 形”分为自上而下和自下而上两种截割方式，“回形” 分为顺回形和逆回形两种截割方式，“环形” 为一种截割方式。

图3 “S 形”截割方式

表3 不同截割方式垂直应力分析

通过对每次截割最大应力进行提取获得巷道顶帮垂直应力表，如表3～表5 所示。

分析图3 和表3 可知，巷道自下而上无论在顶板应力还是在帮部应力显现方面，都较自上而下方式小；分析图4 和表3 可知，顺回形和逆回形在巷道顶板应力显现方面差别不大，在帮部应力，逆回形较顺回形应力控制要好； 分析图5 和表3可知，环形截割控制围岩应力显现方案，顶板围岩效果较帮部应力效果好。综合表3 可知，采用“S 形”自下而上截割能够有效减缓应力显现效果。

图4 “回形”截割方式

图5 “环形”截割方式

4 结语

基于东坡煤矿924 运输巷地质条件进行巷道掘进工艺优化研究，确定基于掘进机截割面形状进行巷道断面截割设计，且采用“S 形”截割方式能够有效地减缓巷道应力显现，从而实现煤巷快速掘进。