28216 工作面掘进机快速掘进工艺研究

吴森茂

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿，山西 太原 030200）

1 概述

东曲煤矿28216工作面轨道顺槽长度为1182 m，宽度为5 m，高度为4 m，该工作面煤层埋深平均375 m，煤层厚度3.41～4.34 m 不等，断层较发育，为采煤掘进造成较大困扰。回采巷道顶板岩层稳定性较差，加剧了回采掘进时顶部垮塌的风险。在前期采煤掘进与支护时，存在掘进作业顶板支护不及时、事故隐患大的问题。基于此，针对28216 工作面实际情况进行快速掘进工艺研究，旨在通过优化掘进机截割工艺、工序方案以及支护方案，提升采煤效率，提高经济效益。

2 掘进机截割工艺优化

28216 采煤工作面巷道稳定性差，掘进条件复杂。采用传统掘进支护工艺施工时，施工效率很低，事故风险隐患大。东曲煤矿采用的掘进机为EBZ260 型，该型掘进机能够满足巷道开采地质条件，因此，合理优化掘进截割工艺是保障掘进机发挥性能、实现快速掘进的重要因素。由于28216 工作面断层发育，地质稳定性较差，目前普遍采用的中心进刀、四周环形截割工艺，常常导致巷道成型困难，坍塌情况也时有发生。

为了改进掘进截割方式，技术人员对28216 工作面煤层和地质结构进行了长期监测，于2019 年11 月首次在工作面143 m 处应用全新跨越式掘进截割工艺。该新工艺主要创新点为掘进方式的不同，将传统环形截割优化为侧向交替掘进截割，即首先将掘进方向巷道分为稳定区和不稳定区两部分，宽度比例约为1:2，然后对不稳定区一侧截割掘进，前进一定距离后，退出侧移掘进机，进行另一侧截割掘进，往复交替，实现快速掘进。

该工艺主要可以实现掘进后到支护前一段时间周期内降低空顶时间，使得发生坍塌等风险大大降低，实现稳定掘进和安全作业。侧向交替掘进截割路线示意图如图1 所示。

3 统筹工序优化方案

28216 工作面煤层掘进完成后，需要对成型的掘进巷道进行支护，而支护作业是掘进工艺中最为重要也是最为费时费工的，一般支护作业占比整个掘进作业时间的一半以上。

为了从工序上实现掘进效率的提升，结合28216 工作面掘进环境，充分分析掘进作业所有工序，按照各工序要求以及周期进行了多工序平行作业组合方案制定，缩短了支护作业周期。具体方案为：在保证掘进巷道安全稳定并有效降低掘进事故风险的前提下，采用了一种滞后迎头一段距离的弱化支护时间方案，方案的关键点在于分析掘进巷道应力变化最大点。28216 工作面掘进巷道宽5 m，高度为4 m，掘进方向巷道左右两个顶板高点最容易因应力变化失稳，因此对这两个点设置锚杆，设置距离为沿着掘进方向距离掘进面约15 m 处。该处设置锚杆可以不影响掘进机安装、运行，能够很大程度降低掘进后实施永久支护作业的时间，基本实现支护与掘进平行进行。

28216 工作面原来30 d 掘进320 m 左右，经过新工序实施，同样的时间可以掘进480 m 左右，掘进速度提升了一半以上。另外，统筹工序优化方案还提出在支护期间对掘进相关设备进行保养维护，实现工序同步、周期缩短的目标。优化方案统筹工序示意图如图2 所示。

图1 28216 工作面侧向交替掘进截割路线示意图

图2 优化方案统筹工序示意图

4 机载临时支护方案

常规掘进作业中的临时支护在掘进机掘进完成后，按照临时支护工艺要求，对掘进面顶部和四周进行临时支护。单项立柱支柱在进行巷道保护过程中使用的临时支护设施，动力主要来源于液压动力驱动装置，主要作用是为永久保护工作提供安全的施工环境。临时支护太大的支撑力会给巷道带来很大的外力，增加巷道倒塌的风险，而小的支撑力则无法起到支撑作用。发动机的液压动力来自井下的动力工作站，该工作站通过管道向支持设备提供恒定压力的液压油，并通过单向阀、快速阀、安全阀等调节液压油，调整支柱的支撑力。单项立柱支柱临时支护工艺支护能力不高，对较大的地质压力无法起到有效作用，容易出现支护面岩层或煤层碎裂砸落的情况，出现巷道冒顶事故，对作业人员的人身安全以及掘进效率都非常不利。目前28216 工作面为了增加临时支护的稳定性和可靠性，并提升临时支护效率，采用了改进的机载临时支护工艺。具体工艺实施为：在掘进机前安装前置支撑梁结构，支撑梁的长度按照掘进工作面宽度确定。28216 工作面掘进巷道宽5 m，支撑梁长度为4.5 m，采用直径为108 mm、壁厚为4 mm 的无缝钢管材料制成。支撑梁与掘进巷道顶板之间用护板支撑，护板的规格为1800 mm×25 mm×25 mm。在掘进机掘进作业过程中，需要注意护板之间的连接可靠性以及衔接性。通过掘进机前置支撑梁完成的临时支护作业，支护强度远高于单项立柱支柱工艺临时支护强度，并且实现了掘进与临时支护同步实施，大大压缩了整个掘进工艺实施时间。东曲煤矿经过在28216 工作面应用改进后的掘进工艺，掘进工艺实施周期缩短了34%，且在近五个月的时间内，没有出现一次支护事故。掘进机前置支撑梁结构图如图3 所示。

图3 掘进机前置支撑梁结构示意图

5 结论

本文研究了东曲煤矿28216 工作面快速掘进改进工艺，主要针对工作面掘进作业方式、工序安排以及临时支护作业等工艺进行优化，提出了适合28216 工作面地质条件的快速掘进新工艺，通过研究形成以下结论：

（1）28216 工作面地质稳定性差，为了降低掘进坍塌风险，摒弃了中心进刀、四周环形截割工艺，采用侧向交替掘进截割，对稳定性较差的一侧首先进行掘进，然后在对相对稳定的一侧进行掘进作业。该掘进方式主要是通过降低空顶时间来防止巷道坍塌事故的发生。

（2）滞后迎头一段距离的弱化支护时间方案，基本实现支护与掘进共同进行，28216 工作面掘进速度提升了一半以上。

（3）将单项立柱支柱临时支护工艺优化为掘进机前置支撑梁结构临时支护工艺，优化后的临时支护方式不仅在支护强度方面远高于单项立柱支柱工艺，同时还能够实现掘进与临时支护同步，极大地降低了掘进支护作业时间。28216 工作面应用改进后的掘进工艺，掘进工艺实施周期缩短了34%，掘进安全以及掘进效率都得到了有效保障。

（4）东曲煤矿经过在28216 工作面应用改进后的掘进工艺，在近五个月的时间内没有出现一次安全事故，证明了改进后工艺的有效性。