煤矿巷道掘进工艺分析研究

肖河源

（同煤集团王村煤业公司机掘三队，山西 大同037000）

我国作为煤炭储量大国，煤炭能源在能源结构中占有重要地位。煤炭开采多为低下开采，近年来随着煤炭开采技术与工艺的不断创新，大型地下综采工作面数量不断增加，使得年新增回采巷道的数量和长度也大量增加。相对而言，我国的煤炭开发井下巷道掘进与支护技术的进步远远低于需求，巷道掘进能力制约着我国煤炭回采效率。另外巷道掘进事故的发生也在佐证着我国巷道掘进能力急需提升。针对这一问题，本文以悬臂式掘进机配套单体锚体钻机设备为基础，从巷道施工工艺、掘进工艺以及巷道支护工艺角度出发，进行工艺技术探讨，旨在掘进安全的基础上，提升巷道掘进速度，保障煤炭回采效率。

1 巷道掘进工艺

煤炭回采巷道的施工一般包括巷道掘进、巷道支护等，以便于回采煤安全顺利运输。巷道掘进在我国当前的煤炭开采中采用最广泛的是悬臂式掘进机配套单体锚体钻机工艺，通过掘进机将巷道煤炭切割，形成一定需求的巷道后，为了保证巷道围岩的稳定，需要进行巷道支护，巷道支护相比较巷道掘进，耗时长、工作量大。悬臂式掘进机配套单体锚体钻机煤炭巷道掘进施工作业线如图1所示。掘进机进行掘进作业，掘进机切割下来的煤块，需要通过桥式传送机输送到胶带式输送机上，一方面起到煤炭收集作用，另一方面为进一步巷道掘进提供空间，待前进两个锚杆排距时，停止掘进，退出空间进行钻机钻孔支护作业，往返交替，完成巷道掘进支护。该作业工艺能够保证各工序之间的衔接，充分发挥工艺设备性能，切割、运输、掘进、支护环环相扣，最大程度发挥了工艺效率。该工艺主要应用于巷道弯度较小的单巷道掘进环境中。

图1 煤炭井下巷道掘进施工作业线图示

在实际巷道掘进工艺实施中，掘进与支护方式是影响掘进进度的最重要因素。煤矿单巷道掘进时，掘进面一般都呈现矩形特征，如果掘进巷道一次成型，虽然能够在一定程度上提升掘进效率，但支护难度和支护作业效率会受到严重影响，通过工艺测算，二段掘进施工工艺整体上优于一次成型工艺。二段掘进工艺示意图见下页图2，首先悬臂式掘进机从巷道一侧进行切割掘进，一般前进约两个锚杆距离后，将掘进机后退，并测移动到巷道另一侧，进行二段掘进，同时煤矿工人进入到空顶区先进行临时支护，再进行挂锚网、打眼钻孔锚杆锚索永久支护作业，二段掘进工艺能够统筹掘进与支护工序，提升掘进支护效率。悬臂式掘进机配套单体锚体钻机工艺是我国大部分煤矿井下巷道掘进支护方式，具有便捷性和快速性的特点，工艺实施简单有效，但值得注意的是，二段掘进工艺的实施对巷道围岩有一定的要求，巷道围岩或煤块需要有一定的硬度，同时做好巷道支护也是该工艺实施的重要保障。

2 巷道支护工艺

井下巷道支护是保障巷道安全，回采顺利的重要保障，是巷道掘进技术的关键点。巷道支护的目标是落煤后，巷道顶板及围岩变得松散且不稳定，需要进行支撑维护，将掘进形成的不稳定巷道围岩进行支护，控制形成巷道围岩的变形，避免巷道围岩的坍塌或碎块掉落，使巷道稳定安全。与二段掘进工艺相搭配的支护工艺为锚杆锚索支护工艺，该工艺具有所需空间小的优点，适合在巷道一侧单独实施。锚杆锚索支护工艺与二段掘进工艺共同实施，实施步骤为：

图2 巷道二段掘进工艺示意图

1）掘进机掘进巷道一侧，将煤块或岩块通过输送系统运出，为巷道施工留有足够空间，一侧掘进完成后，掘进机退出，移至另一侧继续掘进。

2）将临时支护装置运送到采空区，此时支护设备的四根支柱处于收缩状态，放置在确定位置后，将支柱张开，通过液压动力，将临时支护设备紧贴采空巷道顶部，起到上下支护作用。

3）支护平台进入采空区，工作人员手动安装单轨吊轨道，悬挂式锚杆钻孔机进入采空巷道，在围岩上打孔，进行永久支护作业。

4）支护平台收起折叠，退出悬挂式锚杆钻机，进行下一周期的流程。

巷道支护工艺实施当中用到的临时支护设备，是一种以液压为动力的支护平台，主要作用是为永久支护作业提供安全施工环境，起到临时保护作用。临时支护的动力大小是支护作用的重要参数，过大的动力会使得巷道受到过大外力，增加巷道塌顶风险，而过小的支护动力则起不到支护作用，形同虚设。一般来讲，临时支护设备液压动力来自于井下动力工作站，工作站通过管道向支护设备提供一定压力的液压油，并通过单向阀门、溢流阀门、安全阀门等来调节液压油调整立柱的支撑力，完成临时支护设备对掘进完成后巷道的临时支护。临时支护在接收到来自工作站的液压动力后，支护可以分为三个阶段：初撑阶段、承载增阻阶段、恒阻阶段。

初撑阶段指的是临时支护设备支柱张开并对巷道顶部起到升高作用的过程，支护设备在液压动力作用下，对巷道顶板产生一定范围的支撑力，该支撑力是保证巷道顶板稳定的主要动力，该支撑力大小为：

式中：D为临时支护设备支柱的缸径；n为临时支护设备支柱数量；Pb为液压工作站位临时支护设备提供的液压动力大小。

承载增阻阶段指的是在临时支护设备对巷道顶部初撑后，巷道顶部然后受到临时支护设备向上的支撑力，该力大于初撑力。其主要是使巷道顶部在初撑完成后，继续向上做一定形变，使顶部更加稳定。承载增阻阶段的巷道顶部并没有达到最高处，因此临时支护设备的支撑力也在不断增加，受到的阻力也在不断增大，因此承载增阻阶段是一个动态的过程。恒阻阶段是在临时支护设备压力升到一定极限后，巷道顶板也上升到最高，此时顶板形变最大，最稳定，而临时支护设备则通过对应的减压装置释放压力，达到能够支撑顶板稳定的压力后停止释压，达到阻力与压力平衡。因此恒阻阶段实际上是临时支护设备与巷道顶板达到稳定的状态，是临时支护设备真正发挥作用的开始阶段。恒阻阶段设备动力为：

式中：D为临时支护设备支柱的缸径；n为临时支护设备支柱数量；Pa为临时支护设备安全阀设定压力。

对于临时支护设备的压力用图3表示。对于临时支护设备的选取，恒阻阶段的设备提供的支撑力是最重要的参考要素。

图3 临时支护设备工作阶段示意图

3 结语

悬臂式掘进机配套单体锚体钻机煤炭巷道二段掘进工艺，能够有效提升巷道掘进支护速度，间接提升煤矿回采经济效益，保障施工人员人身安全，这对我国煤炭开采行业的发展具有重要的现实意义。