掘进工作面巷道成形技术研究

刘 伟

（山西煤炭进出口集团韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037000）

煤矿井下掘进巷道成形的好坏对于巷道的高效掘进工作至关重要。一方面，成形较好的巷道在原岩应力重新分布后，围岩受力相对稳定，成巷后巷道不会出现较大的变形，巷道后期维护成本低。另一方面，成形较好的巷道表面平整，采用锚网索支护时，有利于巷道成排成行支护，能够节省支护时间，提高支护效率，且有利于巷道成本控制。

1 影响巷道成形的主要原因

1.1 地质条件

开掘巷道围岩特征、埋深、地质构造、地应力等都会对巷道成形造成影响。巷道围岩软硬程度影响成巷水平，围岩越硬越有利于巷道的成形，但围岩硬度过大会给施工带来难度；埋深越大，巷道承受的压力越大，越不利于成形；巷道所在区域存在断层、陷落柱、褶曲等地质构造也会给成巷带来负面影响；有冲击地压的矿井还会导致成巷后出现底鼓现象。

1.2 支护质量

巷道截割成形后，要及时对巷道进行支护，支护质量的好坏直接影响到巷道的成形效果。采用锚网索支护的巷道，如果支护材料本身的质量存在问题，将可能导致巷道支护效果不达标，出现网包、片帮等现象，最终影响成形效果。同时，在支护作业中，如果支护设计不合理或者未按照支护设计的间排距施工，会造成围岩受力不均匀，出现局部离层，严重时可能会发生顶板冒落事故。

1.3 工艺水平

巷道掘进常采用综合机械化掘进和炮掘两种施工工艺。通常炮掘工艺会对围岩产生扰动影响，使围岩裂隙发育程度增加，降低围岩的强度，不利于巷道成形控制。随着生产水平的不断发展，综合机械化掘进的普及率越来越高，在巷道施工成形方面，综合机械化是提高掘进巷道成形的较优选择。

1.4 其他原因

除了以上原因外，影响巷道成形的原因还有很多，如巷道布局、支护设计、施工队伍水平等都会影响到巷道成形水平。对于单个煤矿而言，地质条件是稳定的，在整个矿井区域内不会有太大的改变；巷道布局、支护设计、工艺水平、支护材料等相对确定；队伍施工水平在短时间内也不会有很大的提高，但可以借助一些辅助工具来提高巷道成形水平。

2 全断面成形装置的结构和工作原理

为了解决掘进工作面巷道成型效果差以及锚杆（索）定位不准确的问题，研发了一种掘进工作面红外激光指向全断面成形装置，该装置能提升巷道掘进时的成形效果，还能为顶板支护提供参照依据，为掘进质量的提高、实现标准化作业提供保障。

2.1 全断面成形装置的结构

红外激光指向全断面成形装置由可调节U型框架、红外激光指向仪、锚杆（索）固定座等组成。可调节U型框架又由横杆、竖杆及L型连接件组成。横杆通过锚杆（索）固定座与巷道顶板上的锚杆（索）进行固定；竖杆通过L型连接件与横杆插接在一起，预留一定的插接长度，调整好插接长度后，用定位螺栓进行固定。横杆与竖杆上设有安装位，用于安装红外激光指向仪，具体结构示意图如下页图1所示。

图1 红外激光指向全断面成形装置示意图

2.2 全断面成形装置的工作原理

将全断面成形装置安装在距离掘进工作面迎头20 m处（根据掘进机作业时需要巷道空间而定）。按照掘进工作面断面调整好U形可调节框架固定尺寸，锁死定位螺栓，根据巷道顶帮锚杆（索）间排距安装红外激光指向仪。进行掘进作业时，打开红外激光指向仪，根据红外激光指向仪激光束打出的点阵轮廓进行掘进作业；支护顶板时，打开顶部的红外激光指向仪，利用激光束标定锚杆锚索的位置；支护两帮时，打开两帮的红外激光指向仪，利用激光束标定帮锚杆的位置。支护完一排后，在激光束的方向上用米尺量出下一排的距离，再继续进行下一排支护。激光束的有效指向距离为70 m，掘进到位后，移动全断面成形装置，进入下一个循环。

3 现场应用

试验巷道采用综合机械化掘进施工工艺，巷道采用锚网索支护方式，巷道宽4.8 m，高2.8 m，断面面积为13.44m2，掘进巷道支护断面图如图2所示。锚索规格为MS-1-21.8-10300，锚索间排距为1 800mm×2 000 mm，螺纹钢锚杆规格为Φ22-M24-2400，锚杆间排距为900 mm×1 000 mm。

图2 掘进巷道支护断面图（mm）

将全断面成形装置固定在巷道锚杆上，根据锚杆（索）间排距调整激光指向仪的位置，并调整激光指向仪的方向以满足巷道坡度要求，现场安装调试如图3所示。经现场应用，该装置能够满足设计要求，巷道成形水平有了显著提高，同时提高了掘进效率。

图3 激光指向仪现场调试图

4 结论

具有红外激光指向功能的全断面成形装置，创新地解决了掘进工作面巷道成型效果差以及锚杆（索）定位不准确的问题，大大提高了掘进巷道成形水平，避免了因综掘机司机操作水平参差不齐而造成的巷帮超挖欠挖情况，降低了工人劳动强度，对实现巷道的高效掘进有现实意义。该装置具有以下特点：

1）设备简单，运行可靠。该装置结构简单，杆件通过插接螺栓固定，连接简单可靠，红外激光指向仪采用安全电压供电，属于本质安全型设备，运行安全可靠。

2）应用红外激光指向全断面成形装置进行工作时，能够在掘进断面上形成一个轮廓，掘进机司机可按照轮廓截割煤体，不会出现多挖欠挖现象，成巷效果得到显著提高。

3）在遇到地形变化时，可以调节激光指向仪的角度来实现巷道的上下坡正常作业。