潘 翔

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

引言

我國的工業(yè)化發(fā)展需要大量的能源來進(jìn)行保障，煤炭是最重要的一種，其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。在開采煤炭的過程中需要采取大量的支護(hù)及掘進(jìn)操作，尤其是伴隨著綜采深度的增加，礦井下的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，巷道圍巖的穩(wěn)定性也越來越差，當(dāng)前為了確保巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，礦井大多通過增加頂錨桿的支護(hù)密度來實(shí)現(xiàn)，但是這種操作不僅會(huì)降低支護(hù)作業(yè)的效率，而且會(huì)增加支護(hù)作業(yè)的成本。在以往的掘進(jìn)作業(yè)中，其首要步驟就是對(duì)巷道實(shí)施切割，然后再實(shí)施擴(kuò)孔作業(yè)，巷道基本無法高效、高質(zhì)量的成型，在掘進(jìn)作業(yè)中大部分工作都需要采取串行操作的方法，這就對(duì)掘進(jìn)工作的效率產(chǎn)生了一定的影響[1-2]。為了分析掘進(jìn)作業(yè)對(duì)巷道掘進(jìn)效率產(chǎn)生影響的各個(gè)因素，通過運(yùn)用FLAC3D 模擬軟件來進(jìn)行模擬分析，其主要是針對(duì)頂板的支護(hù)方案來設(shè)計(jì)，明確了最恰當(dāng)?shù)捻敯邋^桿排距，降減少了支護(hù)作業(yè)所需的任務(wù)量和所需時(shí)間。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)開展截割作業(yè)的需求，本文提出了一種由上而下的截割路徑，該路徑呈現(xiàn)為“S”型，以此來完成掘進(jìn)作業(yè)方式的改善。同時(shí)，通過對(duì)掘進(jìn)作業(yè)的工序進(jìn)行調(diào)整，掘進(jìn)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了多道工序并行的目標(biāo)。通過實(shí)際應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)明顯提升了掘進(jìn)工作的效率和穩(wěn)定性。

1 頂板錨桿排距優(yōu)化

在開展巷道掘進(jìn)作業(yè)、實(shí)施頂板支護(hù)的過程中，錨桿排距將會(huì)對(duì)圍巖的安全性及穩(wěn)定性發(fā)揮著十分重要的作用。若排距相對(duì)較密，盡管能夠提高圍巖的穩(wěn)定性，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致支護(hù)所需成本的增加及支護(hù)效率的降低，因此，為了改善掘進(jìn)工作的效率及質(zhì)量，礦井首先就需要優(yōu)化支護(hù)體系，在明確支護(hù)作業(yè)安全的條件下，盡可能提升支護(hù)作業(yè)的效率，降低所需成本。

FLAC3D 模擬分析軟件具有一定的三維型，可以同時(shí)模擬分析巖石、土質(zhì)及其他材料的三維結(jié)構(gòu)的受力特性[3]。選擇一些典型的掘進(jìn)巷道結(jié)構(gòu)來進(jìn)行研究，該巷道的斷面呈現(xiàn)為矩形，寬度和高度分別為6 200 mm 和7 900 mm，巷道的頂板巖層為砂質(zhì)泥，這種地質(zhì)一旦遇水極易膨脹，導(dǎo)致頂板垮塌事件的發(fā)生，整體圍巖不具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在開展支護(hù)操作時(shí)，其頂板錨桿有著較密的排距，因此無法取得較好的支護(hù)效率。通過運(yùn)用這個(gè)模擬軟件來進(jìn)行分析，從800 mm、1 000 mm 和1 200 mm 三種排距中篩選出最佳的排距，并分析其錨距不同條件下的受力狀況，如圖1 所示。

圖1 不同錨間距情況下的應(yīng)力及巷道變形量

從圖1-1～圖1-3 可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定800 mm 的錨間距時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)在礦壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力為38.6 MPa；當(dāng)設(shè)定1 000 mm 的錨間距時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)在礦壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力為53.90 MPa；當(dāng)設(shè)定120 mm 的錨間距時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)在礦壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)的最大應(yīng)力為62.35 MPa，因此，在礦壓波動(dòng)下，支護(hù)系統(tǒng)所受到的力會(huì)隨著錨間距的增加而增加，同時(shí)也會(huì)越來越不穩(wěn)定。在錨間距大于1 000 mm 的時(shí)候，礦壓波動(dòng)下，其所受到的應(yīng)力不會(huì)再出現(xiàn)較大的變化。從圖1-4 可以發(fā)現(xiàn)，兩幫的移近量和頂板的下沉量均會(huì)隨著錨間距的擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大，同時(shí)變形量也會(huì)急劇增長。由此可知，支護(hù)效果在間距為1 000 mm 時(shí)為最佳。通過在礦井下進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，錨間距在完成優(yōu)化之后，在維持其他條件不變的情況下，支護(hù)事件得到顯著降低，而支護(hù)的安全性和效率顯著提升。

2 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀方式及作業(yè)流程優(yōu)化

在開展截割作業(yè)的時(shí)候，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)首先需要截割出一個(gè)大致的巷道框架，之后再依據(jù)礦井的實(shí)際情況來進(jìn)行調(diào)整，直到其滿足了巷道的輪廓要求，在進(jìn)行操作的時(shí)候存在極高的隨機(jī)性，并且不斷的修正會(huì)對(duì)掘進(jìn)工作的效率產(chǎn)生較大的影響[4-5]?；诖耍岢隽艘环N全新的截割路徑，其形狀為“S”形，截割作業(yè)首先會(huì)從巷道的下端來進(jìn)行，之后在逐步向上進(jìn)行截割，促使巷道掘進(jìn)可以完成一次成型，圖2 所示為新型截割路徑。

圖2 “S”形一次截割成型路徑示意圖

在以往的掘進(jìn)工作中，巷道之內(nèi)的支護(hù)及掘進(jìn)工作均采取串行方式來進(jìn)行，只有支護(hù)作業(yè)完全結(jié)束之后，才可以進(jìn)行掘進(jìn)，兩種作業(yè)相互分離，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)無法形成較高的開機(jī)率，進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)工作的速率也產(chǎn)生了極大的影響[6-7]。因此，對(duì)掘進(jìn)工作進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種平行作業(yè)的方法，這種方法可以有效提升掘進(jìn)工作的效率及質(zhì)量；通過對(duì)掘進(jìn)作業(yè)的實(shí)際流程進(jìn)行分析，本文提出了一種最終的優(yōu)化方案，通過將迎頭進(jìn)行一定的滯后實(shí)現(xiàn)支護(hù)技術(shù)的弱化。在整個(gè)支護(hù)過程中，首先需要在穩(wěn)定性較差的頂板和頂角部位來設(shè)定錨桿，然后在將滯后安裝頂板錨桿，這一環(huán)節(jié)需要在掘進(jìn)機(jī)滯后完成，不能對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，促使兩項(xiàng)作業(yè)可以同時(shí)進(jìn)行，使掘進(jìn)機(jī)具備了較高的開機(jī)率，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)作業(yè)的平行作業(yè)，具體如圖3 所示。通過具體實(shí)踐顯示，通過對(duì)截割方式進(jìn)行優(yōu)化及采取平行作業(yè)之后，掘進(jìn)工作的效率和質(zhì)量可得到顯著提升。

圖3 多工序平行作業(yè)示意圖

3 結(jié)語

在掘進(jìn)工作中，因圍巖存在較高的不穩(wěn)定性，這就對(duì)其效率產(chǎn)生了極大的阻礙[8]。通過對(duì)高速掘進(jìn)技術(shù)實(shí)施分析，運(yùn)用仿真模擬的方法來明確最佳的頂錨桿間距，同時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割路徑進(jìn)行優(yōu)化、采取多道工序并行的操作等來提升掘進(jìn)工作的效率，通過實(shí)踐顯示：

1）當(dāng)選擇1 000 mm 作為錨間距時(shí)，其支護(hù)作業(yè)可以取得最佳的效果。根據(jù)具體實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，在對(duì)錨間距進(jìn)行優(yōu)化之后，在其他條件維持不變的時(shí)候，支護(hù)時(shí)間得到明顯降低，而支護(hù)的效率及安全性得到顯著提升。

2）在截割路徑得到優(yōu)化的條件下，截割作業(yè)首先會(huì)從巷道的下端來進(jìn)行，之后在逐步向上進(jìn)行截割，促使巷道掘進(jìn)可以完成一次成型，由此來提升成型的效率及效果。

3）通過對(duì)截割方式進(jìn)行優(yōu)化及采取并行作業(yè)之后，掘進(jìn)工作的效率可以得到顯著提升，且效率和質(zhì)量也得到極大提升。