煤矿井下智能化高速掘进工艺的应用研究

李广友

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 寿阳 045400）

随着煤矿井下单产水平的不断增加，井下巷道掘进效率越来越成为影响井下综采效率的核心瓶颈，特别是在大深度、大断面、地质条件复杂的情况下，需要更加牢固的支护方案、更加平稳的掘进方案，在一定程度上都限制了巷道掘进效率的进一步提升。

本文经过对井下巷道掘进工艺流程的分析，确定了影响巷道井下掘进效率的主要因素是掘进机掘进方案、井下综掘面各工序配合方式以及井下巷道支护形式，因此针对性的提出了不同地质条件下的截割作业优化方案、多工序并行综掘作业方案以及锚网索支护+注浆加固方案，显著提升了煤矿井下巷道的掘进效率，根据实际应用表明，新的巷道掘进方案能够将下巷道掘进效率提升32.7%，将巷道顶板下沉量降低72.6%，将巷道帮部位移量降低84.4%，为优化井下掘进方案、提升井下巷道掘进安全性和经济性奠定了基础，具有极大的应用推广价值。

1 巷道掘进效率影响因素分析

以阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司（以下简称开元）9号煤层地质条件为研究对象，井下巷道煤层的平均厚度为5.2 m，巷道顶板、围岩多为泥岩、砂质泥岩，巷道净断面截面积为18.5 m2，巷道顶板在周期性来压时会承受较大的压力，导致巷道顶板下沉、支护锚杆断裂，井下掘进速度仅4.3 m/d，在巷道掘进过程中顶板的最大下沉量约为142.3 mm，巷道两帮的最大变形量约为179.5 mm，无法满足井下支护可靠性的需求。

通过对井下巷道掘进工艺流程的分析，影响巷道掘进效率的因素主要包括以下几个部分[1]：

1）巷道掘进方案不合理，由于井下地质结构复杂，巷道顶板存在着完整态、顶板破碎态二种状态，而井下采用掘进机截割作业时均采用了顺时针的巷道截割方案，导致在截割顶板破碎态时极易出现塌方，影响井下实际巷道掘进效率。

2）施工工序分布不合理，井下巷道掘进时，需要大量的人员相互配合作业，但由于管理制度落后，导致在井下实际作业时，多种作业工序只能串行，极大地影响了煤矿井下巷道掘进效率和安全性。

3）支护方案不合理，由于井下顶板矿压波动大，因此对支护安全性要求很高，但由于采用传统的单锚杆支护方案，导致支护时需要大量的补强支护，而且大量使用锚固剂，凝固速度慢，影响了巷道掘进效率，进而影响到井下巷道的掘进效率。

2 巷道掘进方案优化

由于井下地质条件复杂，巷道顶板处存在着多处破碎区，在传统掘进方案中，采用掘进机一次掘进成型方式，但由于顶板碎裂严重，因此会产生大量的碎石，需要不断的停机清理，因此导致井下巷道掘进效率低下，因此结合井下实际情况，本文提出了巷道掘进优化方案，采用了短掘短支的方案，根据巷道的实际情况，优化截割路径。

掘进机选择了悬臂式掘进机，具有截齿密实、单轴抗压能力强的特点，在进刀时选择在煤岩结合处进刀，先截割煤炭再截割岩层，提高截割稳定性，掘进机在不同地质条件下的掘进截割路径如下页图1所示，因地制宜的采用最佳的掘进机截割路径[2]，能够有效地提升巷道掘进作业时的稳定性，避免出现大范围的碎石垮落，缩短了停机清理时间，有效地提升了巷道井下掘进效率和安全性。

图1 不同地质条件下截割路径示意图

3 施工工序优化

传统施工方案中，在井下综采面上安装顶部锚杆和安装帮部锚杆、掘进设备维护及延长跟机电缆等均是串行作业，虽然能够一定程度上减少综掘面同时工作的人员数量，但严重制约了井下综掘作业的进度，因此在对掘进工序及作业流程进行科学分析后对相关工序进行合并，实现了多工序的平行作业，有效的提升了井下巷道掘进进度，优化后的平行作业工序如图2所示。

图2 多工序平行作业图

4 支护方案优化

在传统的单锚杆支护方案中，锚杆的间距为1000 mm×1000 mm，支护密度大、支护效率低、成本高，因此在对井下巷道结构进行分析后，提出了采用锚网索支护+注浆加固方案，详细的支护参数如表1所示，同时为了提升巷道支护的稳定性，在锚杆之间采用圆钢进行焊接，提高在矿压波动下的稳定性。

表1 锚网索联合支护参数表

为了提升在顶板破碎区域的支护稳定性，需要在巷道内进行注浆加固，注浆时可以选择ZBQS-12/10型便携式注浆泵，注浆材料选用快速速凝材料，注浆时注浆参数如表2所示，为了确保注浆效果，需要采用交错注浆，注浆完成后利用袋式封孔方式进行快速封孔，保证注浆液能够快速进入到岩层内[3]。

表2 注浆加固参数表

采用锚网索支护+注浆加固的方案具有支护效果好、可靠性高的优点，有效提升了巷道井下支护的可靠性。

5 应用效果分析

为了对优化后的巷道掘进方案进行验证，在巷道内采用十字布点的方式[4]对巷道顶板和巷帮进行支护，其优化后的变形量如图3所示。

图3 顶板及巷帮变形量

由图3可知，优化后顶板的最大变形量约为39 mm，比最初的142.3 mm降低了72.6%，优化后巷帮的最大变形量为28 mm，比最初的179.5 mm降低了84.4%，显著提升了巷道的支护稳定性。在优化后巷道的掘进效率由最初的4.3 m/d，提升到了目前的6.4 m/d，效率提升了32.7%，极大地提升了井下巷道掘进效率。

6 结论

针对煤井下巷道掘进效率低，严重影响井下综采作业效率的不足，在对巷道掘进工艺流程进行分析的基础上，提出了一种新的井下高速掘进工艺，根据实际验证表明：

1）巷道掘进方案不合理、施工工序分布不合理，支护方案不合理是影响巷道掘进效率的主要因素。

2）因地制宜的采用最佳的掘进机截割路径，能够有效的提升巷道掘进作业时的稳定性，避免出现大范围的碎石垮落，缩短了停机清理时间，有效的提升了巷道井下掘进效率和安全性。

3）采用锚网索支护+注浆加固的方案具有支护效果好、可靠性高的优点，有效提升了巷道井下支护的可靠性。

4）的巷道掘进方案能够将下巷道掘进效率提升32.7%，将巷道顶板下沉量降低72.6%，将巷道帮部位移量降低84.4%，为优化井下掘进方案、提升井下巷道掘进安全性和经济性奠定了基础。