煤矿巷道快速掘进分析与支护技术研究

＊杨崇江

（霍州煤电集团晋北煤业公司 山西 035100）

1.分析影响煤巷掘进速度的因素

煤巷掘进工程复杂，它涉及的子系统有通风、供电和运输等。设备型号、操作工艺还有地质条件等诸多因素共同制约着煤巷掘进的速度。统筹规划各环节的影响因素，促进煤巷的掘进速度，达到高效、减员的目的。既相互联系又相互制约的影响不会单一存在，除技术因素外，操作员的素质和工程管理模式也影响着煤巷掘进快慢，图1阐述了每个因素互相影响的关系。

图1 巷道掘进速度影响因素关系

(1)设备的种类

很多机械设备都可以用于挖掘煤巷，下面介绍常用的四种：锚杆式还有刮板式、转载式以及掘进式的输送机。

①锚杆钻机：主要用于支护作业。完成掘进后，锚杆钻机开始锚网，保证围岩牢固不变形，提升在掘进过程中工作面顶板的安全性能。除了使用时对施工空间和环境要求高以外，能用锚杆钻车就尽量不用单体式钻杆钻机，因为用锚杆钻车自动化程度大、作业效率高。

②掘进机：目前研发和使用的掘进机，伴随着开采煤炭技术的提升，其作用和种类也在不断增多，以悬臂式的掘进机最为普遍。它种类最齐全，但性能差且基本没有实现机械化。所以针对此掘进机的缺点，采取以下措施全面提高巷道掘进技术：首先稳定设备并延长使用刀头的寿命；其次采用自动化人工智能作业，控制掘进机实现自动识别和切割。

③运输设备：煤岩被截割下来以后，如果不及时运送出去，或者运输效率很低，都会影响作业进度并拖慢巷道掘进的速度，此时就要选用合适的运输设备。该设备由矿车、刮板输送机和桥式转载机以及可伸缩胶带输送机等部件组成。做好设备检修和日常维护，提高设备安全性和可靠性，根据实际掘进作业时的工作面选择设备型号和选用的部件，反复设计、验算运输效率，组合以上设备部件，构成最适合巷道掘进的运输系统。

(2)采矿工程的地质条件

采矿工程就是采出需要的资源，要想顺利截割、爆破和开挖地质体，一定要先判断该项目的地质情况。通常情况下，完成煤矿巷道的设计后，工程地质的环境一般不变。地下是否有水、煤岩的软硬程度、是否完整以及围岩特性和节理裂隙都会影响工程地质条件。高效施工建立在地质条件满足生产措施和工艺的基础上。地质条件越好，越能在临时支护或掘进时，支护的更永久；以下几种情况会减慢巷道掘进：遇到老窑积水导致陷落柱或断层这种不良好的地质时，不能有效管理和控制围岩，必然需要耗费大量的工艺和生产环节。

(3)操作人员的工艺水平

挖掘煤巷时，要进行装煤和割煤以及运输和支护很多环节，支护工作是最复杂的。掘进速度快慢与操作人员的工艺水平相关联。我国常用的煤巷掘进作业施工线见图2。优点是具有超强适应性，更加自动化且更加灵活，可连续运输、截割煤岩。缺点是支护作业时影响了掘进速度，不能进行掘、支这种平行作业。煤巷掘进时的施工工艺流程有桥式传送和掘锚一体以及带式运输和转载破碎等，实际工作环境不同，需要选择的流程不同；设备不同，适应条件也不同；流程不同，特点也不相同。

图2 掘进施工作业线

(4)临时支护

支护包含临时和永久两种时长的支护性质，巷道掘进速度很快时，支护可以保证巷道环境的安全。其中，临时支护使用更频繁，对掘进作业过程的影响更小。针对临时支护在巷道快速掘进过程的阻碍作用，合理、科学的选择临时支护方式，才能尽最大可能减小巷道掘进时临时支护的负面影响。我们进行临支时最常选用这三种：机载式和自移迈步式以及前探梁式。

2.优选支护方式，促进煤巷掘进

巷道掘进步骤里最关键的一步是掘进机切割，所以为了提升煤巷的掘进速度，该文优化了掘进机在切割时的工艺。

(1)掘进机的切割路径

掘进机进行切割时产生运动路径不同，就造成了巷道断面轮廓的不同。具体有：

①蛇形切割：当巷道是矩形断面时，优选蛇形切割方式。它的具体切割流程是：首先打扫工作环境—接着把煤壁进行切割—然后掏槽采用横向方式—最后切割采用迂回模式。切割途径有两种，分别是自上向下以及自下向上，具体见图3。

图3 蛇形切割路径

②回形切割：从底板左帮处，掘进机开始下第一刀，截割臂掏槽时采用横向模式左-右摆动，到达右帮后沿右帮转到巷道顶板，掏槽时一直选择竖向模式上-下摆臂，然后顺顶板到巷道帮，掏槽时选择右-左方向摆臂，最终在左帮掏槽时选择上-下方向完成摆臂。回形切割时还以选择由巷道顶板处进第一刀。其不同的路径见图4。

图4 回形切割路径

(2)分析切割路径

这两种不同路径切割两帮围岩时产生的数据不同，利用Midas CTS N软件将所产生的不同移近量和顶板下沉量进行建模，全面分析计算回形和蛇形这两种切割路径对巷道掘进的影响，其模拟结果见图5。

图5 2种切割路径巷道变形情况

上图可见巷道围岩产生的变形随蛇形或回形切割次数增加而增加。他们的具体区别有两点：首先是巷道两帮产生的最大移近量不同，回形切割产生的差不多是240mm，蛇形切割产生的差不多是200mm；其次是顶板产生的最大下沉量不同，回形切割产生的差不多是150mm，蛇形切割产生的差不多是120mm。综上得出蛇形切割产生的位移量相对较小，加速了巷道掘进，同理，也可以增加空顶长度，达到最终目的。

(3)优化支护技术

以前从未试过把永久、临时这两种支护一起用。每一种支护方式单独作业时，都会减慢掘进速度，因为会占用施工空间，扰乱作业步骤。所以综合考虑为煤巷掘提速的目的，提出了合并使用这两种支护技术，方法是将永久支护的钻孔和挂网工序融进临时支架，实现在支护同时，进行巷道掘进工作，达到了缩短支护时间并加快了巷道快速掘进，我们将其命名为新型临时支架，见图6。

图6 新型临时支架

3.结论

本文总结了影响煤巷掘进速度的几点因素：地质条件和选择的机械设备类型、临时支护措施以及操作人员的工艺水平；蛇形切割在掘进机切割时可以加快巷道掘进，对围岩产生的位移量更小；将支护技术合二为一，缩短支护的时间。