煤巷快速掘进工艺及临时支护设备的改进

许文林

（晋能控股煤业集团长沟煤矿， 山西 和顺 032700）

引言

煤矿巷道的掘进效率和最终巷道的成型质量直接决定煤矿的生产能力。但是，我国煤矿生产中巷道掘进和煤层开采匹配度较差，即巷道掘进效率远低于开采效率。因此，实现煤矿巷道的快速掘进对于进一步提升煤矿的生产能力具有重要意义[1]。与此同时，煤矿巷道在掘进过程中也需要对巷道进行有效支护，才能对巷道掘进起到正向作用。

1 1017 工作面工程概况

1017 工作面的切眼长度为180 m，可采煤储量为111.6 万t。煤层厚度为4.90～5.91 m，平均厚度为5.7 m；煤层倾角范围为-2°～-8°，平均倾角为-5°。1017 工作面的顶底板情况如表1 所示。

经探测，1017 工作面瓦斯绝对涌出量为89 m3/min；工作面的最大涌水量可达15 m3/h，正常涌水量为6 m3/h。目前，工作面采用走向长壁、后退式放顶煤一次全采高全部垮落式综合机械化开采工艺。

2 煤巷掘进工艺的改进

目前，1017 工作面所采用的掘进机型号为EBZ160A，该型掘进机可掘进巷道的断面面积为27m2，可掘进的巷道的最大高度为4.8 m，可掘进的工作面最大宽度为5.6 m，可在坡度为16°的工作面开展掘进任务。影响巷道掘进效率的主要因素包括有所采取的切割路径和支护的工艺。

目前看来，应用于掘进工作面的切割路径包括有蛇形切割路径、回形切割路径和螺旋形切割路径。其中，蛇形切割路径可以分为自上而下和自下而上，以自上而下为例一般的切割工艺流程为：清扫场地→切割岩层→横向掏槽→迂回切割。回形切割路径可以分为顺回和逆回两种方式[2]。螺旋形切割路径对掘进机司机的素质要求较高，司机需同时对水平和垂直方向的运动进行控制。本小节将结合1017 工作面的实际情况建立模型，并分别对比上述三种不同切割路径优劣势。

2.1 蛇形切割路径仿真分析

主要对蛇形切割路径的自上而下和自下而上两种切割方式的巷道成型质量和切割过程中的应力变化进行仿真分析，仿真结果如表2 所示。

如表2 所示，采用自上而下的路径进行切割时，巷道的变形量大于采用自下而上切割路径的情况；同时，自上而下路径对应的平均应力大于自下而上切割路径的情况。因此，对于蛇形切割路径而言，应采用自上而下的切割路径[3]。

2.2 回形切割路径仿真分析

对于回形切割路径而言，主要对比顺回形和逆回形两种切割方式对应切割过程中巷道的平均应力，仿真结果如表3 所示。

表3 回形切割路径仿真结果 MPa

如表3 所示，回形切割路径下巷道顶板的平均应力在两种切割方式下相差不大；不同的是，逆回形切割方式下两帮的平均应力小于顺回形切割方式。因此，采用逆回形切割方式更有利于对保证巷道的稳定性。

2.3 螺旋形切割路径仿真分析

对于螺旋形切割路径而言，在其螺旋形推进方式下对巷道顶板和两帮的平均垂直应力进行对比，仿真结果如表4 所示。

表4 螺旋形切割路径对巷道顶板和两帮的垂直应力 MPa

对比表2、表3、表4 的仿真结果可知：回形切割路径对应的巷道顶板和两帮的平均应力最大；而蛇形切割路径对应的自下而上的切割方式对巷道顶板和两帮的平均应力均小于螺旋形切割路径的情况，即更有利于保证掘进期间巷道的稳定性。综上所述，采用蛇形自下而上的切割方式对1017 工作面的巷道进行切割。

3 巷道快速掘进临时支护设备的改进

为保证巷道的掘进效率可在实际掘进过程中采用临时支护设备对巷道进行支护。目前，实际掘进过程中所采用的临时支护设备并不能够真正解决采掘比例失调的问题，即对应巷道掘进效率提升幅度不明显。而在掘进机过程中采用锚杆+锚索的联合支护方式不仅降低了掘进效率，而且还增加了支护成本。

因此，为进一步增加巷道的掘进效率应重点解决当前临时支护设备的两项问题：第一，解决当前临时支护设备主要依靠人工完成支护，并未达到机械化支护的水平；第二，掘进设备和临时支护设备为相互独立的个体。基于上述两项重点解决的问题对现阶段的临时支护设备进行改进。

结合1017 巷道的断面尺寸和掘进机的掘进参数，设定临时支护设备的宽度应控制在3100～6100 mm，保证其能够根据巷道宽度进行自行调整；临时支护设备的支护高度控制在2600～4500 mm 之间，可根据欠挖或超挖的情况对支护高度进行调整。按照最危险的情况考虑，当巷道顶板的围岩全部垮落至临时支护设备上方时对应的支撑应力不得小于0.069MPa。

结合上述分析基础，针对性地设计出临时支护设备的三维结构如图1 所示。

图1 临时支护设备三维结构图

在图1 临时支护设备的基础上加装锚杆钻机，从而减少了作业人员搬移锚杆钻机的工作量，直接提高了支护效率；而且，临时支护设备所加装的自动找平结构可以保证设备对各种复杂工作面进行支护。

4 结论

1）通过仿真分析可知，采用蛇形切割路径的自下而上切割方式回形和螺旋形切割路径下对应巷道顶板和两帮的平均垂直应力小，更有利于保证巷道的稳定。因此，1017 工作面采用蛇形切割路径的自下而上切割方式为最佳；

2）所设计的临时支护设备宽度应控制在3100～6100 mm，护高度控制在2600～4500 mm 之间，支撑应力不得小于0.069 MPa。同时，临时支护设备的结构能够降低作业人员的劳动效率，提高掘进效率。