煤巷悬臂式掘进机快速截割工艺探讨

李 杰，丰栗谦，石 岩

（1.山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046000；2.潞安职业技术学院，山西 长治 046000）

我国煤巷快速掘进工程主要分为掘进切割、支护和运输等多个部分，历经多年发展，相关设备和技术已发展相对成熟，并逐渐形成以悬臂式掘进机为主的巷道掘进运输支护设备系统和快速掘进工艺。为进一步提高巷道掘进效率，杜启军基于林南仓矿井，采用FLAC3D软件进行2220工作面巷道掘进状况进行模拟分析，改进掘进策略，提高了巷道掘进速度；周连清结合理论分析和工程实践的方法，通过优化组织管理、改进掘进设备、优化支护参数，从而提高巷道掘进速度； 张征等人利用PDCA组织管理方法分析了制约巷道快速掘进的内外因素，为石嘴山煤矿2475工作面快速掘进改善提高依据。上述学者主要针对巷道快速掘进工艺的改善做了深入研究，但针对掘进机截割工艺及其影响研究较少，因此本文基于常村矿井实际，针对掘进机多种截割工艺进行分析探讨，以选择适合矿井煤巷掘进的截割工艺。

1 工程背景

常村矿2101W工作面埋深635.5 m，煤层平均厚度6.5 m，煤层近水平分布，工作面采用全部垮落法，2101W工作面相邻区段工作面已采毕，其采空区垮落稳定。需进行2101W工作面掘进布置，依据矿井应力监测数据，矿井最大主应力为垂直应力，对巷道稳定影响较大。

2 截割工艺

以EBZ160A型悬臂式掘进机为应用实例进行截割工艺分析。煤巷掘进截割工艺主要有 “蛇形”截割、“回形”截割和“螺旋线形”截割三类，其中“蛇形”截割可分为上下起割两种，“回形”截割可分为顺回和逆回截割两种，见图1。其中“螺旋线形”截割方式先掘巷形成圆形巷道，最后整形为矩形巷道。

图1 不同形状截割路径

上述三种悬臂式掘进机截割路径能够有效减小切割空转，降低能耗，能够适应煤巷快速掘进的需要，但不同的截割路径对同等地质条件下的巷道稳定性影响不同。下面，运用数值模拟方法对不同路径下的巷道截割工艺进行分析比较。

3 数值模拟分析

数值模拟采用Midas GTS NX软件，建立X×Y=40 m×50 m的二维平面模型，其中顶板由粉砂岩和泥岩组成，底板由粉砂岩和石英砂岩组成，数值模型见图2。

图2 数值模型

模拟主要就垂直应力进行模拟分析，确定三种截割方式成巷顶帮平均垂直应力模拟，见图3。其中“螺旋线形” 截割路径先经由螺旋线形截割后再整形为矩形巷道。

图3 三种截割方式成巷顶帮平均垂直应力模拟

通过对顶帮应力数据提取绘制成表1中的多种截割方式下的巷道平均垂直应力表。

对表1数据分析可知，对比三种截割路径，“回形” 截割路径下巷道顶帮所受垂直应力值均大于“蛇形”和“螺旋线形”截割路径，同时“蛇形”自上而下推进与“螺旋线形”截割方式平均垂直应力值差别不大，同时“螺旋线形”截割方式对操作技术要求较高，不易操作。在上述所有方式中，“蛇形”自下而上推进巷道顶帮所受应力较小，且施工便捷，因此对煤巷掘进较为适用。

表1 不同截割方式下巷道平均垂直应力

4 结语

本文以常村矿为工程背景，对煤巷悬臂式掘进机截割工艺进行了分析探讨；结合现场应力条件和施工简便性，利用数值模拟方法进行了巷道垂直应力分析；巷道受力数据表明，“蛇形”自下而上截割方式更适用于煤巷掘进。