摘要：为解决煤矿生产中掘进效率与开采效率不相匹配影响生产效率的问题，在对当前煤巷掘进工艺现状分析的基础上，提出从掘进路径和空顶距两方面对掘进工艺进行优化的研究思路；然后，分别通过数值模拟软件对不同掘进路径和空顶距对应的工作面围岩的垂直应力和变形等情况进行对比，最终得出适用于快速掘进对应的蛇形路径和4 m的空顶距。

　　关键词：蛇形路径；空顶距；垂直应力；塑性变形区域；掘进工艺

　　当前，我国煤矿工作面的开采能力和开采效率不断提升，对应煤矿回采巷道的增幅越来越大；但是，与煤矿开采相比，煤矿掘进速度无法达到大量回采的要求，直接表现为采掘比例失调[1]。同时，煤矿工作面在掘进过程中存在冒顶、片帮等事故也是制约其快速掘进的因素。本文针对掘进工艺存在的不足导致掘进效率以及安全性低的问题重点对影响煤巷快速掘进的因素进行分析，并对传统掘进工艺进行改进。

　　1现状分析

　　煤矿工作面的掘进是一个相对复杂且综合性的工作面，其掘进效率不仅与工作面的地质条件相关，而且与其所采用的掘进工艺有直接的关系。目前，我国煤矿工作面的断面形状普遍为矩形，导致当前的掘进工艺无法保证一次性成巷；一般情况下，需要将矩形巷道分为两个或者两个以上的巷道进行掘进，该种掘进方式对应的效率偏低，具体示意如图1所示。

　　如图1所示，在实际掘进过程中，先对①—③部分进行施工，该区掘进完毕后，退回至处置位置开始对④—⑥截面进行掘进。其中，在对①—③截面掘进完成后，为保证后续掘进的安全性需要对所形成的空

　　顶区域进行临时支护。同时，由于需要对工作面进行反复掘进会产生大量的粉尘，对现场作业人员的身心健康造成影响。

　　总的来讲，当前影响煤矿高效掘进的主要因素可以归结为两点，一点为掘进路径的选择不合理，第二点是因为掘进过的空顶区域临时支护形同虚设，随着巷道深部的增加导致工作面出现了较为严重的冒顶或者片帮的事故，从而严重影响了巷道的掘进效率和安全性。因此，针对煤矿掘进工艺的改进，拟从掘进路径和空顶距的最优化设置[2]。

　　2掘进路径的改进

　　2.1掘进路径概述

　　工作面巷道断面的形状直接决定于掘进路径。掘进路径直接影响围岩的扰动次数、空顶区域巷道围岩的稳定性以及最终的掘进效率[3]。一般情况下，可采用的掘进路径包括有“蛇形”掘进路径、“回形”掘进路径以及“螺旋形”掘进路径，各路径的规划，如图2所示。

　　上述三种掘进路径可尽可能的减少截割头空转时间，从而提高掘进效率。为得出最佳的掘进路径，对上述三种掘进路径对应的巷道稳定性进行数值模拟仿真分析。

　　2.2最佳掘进路径的确定

　　首先，根据现场条件建立工作面的数值模拟仿真模型，所构建模型的尺寸为40 m×50 m，如图3所示。

　　根据表1中工作面煤层和岩层的地质条件对图3中数值模拟仿真计算的参数进行设置。

　　参数设置完成后，对不同掘进路径对应在实际施工过程中顶板和帮部的垂直应力进行仿真分析，仿真结果如表2所示。

　　分析表2数据可知，采用回形掘进路径对应工作面顶板和帮部的垂直均大于采用蛇形掘进路径和螺旋形掘进路径的情况。而且，蛇形掘进路径与螺旋形掘进路径对应平均应力值相近。但是，螺旋形掘进路径对作业人员的素质要求较高。

　　因此，最终确定采用蛇形掘进路径对工作面巷道进行掘进，其能够很好保证工作面巷道围岩的稳定性，从而减小了巷道临时支护的压力，缩短了巷道的临时支护时间，间接提高了巷道的掘进效率。同时，采用蛇形掘进路径无需左右移动设备，从而减少了截割头空转时间，直接提高了掘进效率[4]。

　　3空顶距的优化

　　空顶区域的面积将直接影响超前临时支护，对于预防顶板冒顶和两帮片帮具有重要意义。在保证掘进巷道工作面围岩稳定性的基础上，将空顶距最大化是提高掘进速度和效率的关键[5]。从理论上讲，将空顶距最大化可直接减少在实施过程中掘进与支护的交替次数，从而达到提高掘进效率的目的。

　　结合掘进工作面巷道的实际情况，分别对空顶距为0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.8、5.6 m七种对应情况下掘进巷道围岩的稳定性进行仿真分析。不同控顶距离对应掘进工作面巷道围岩顶板、底板以及两帮的变形如图4所示。

　　如图4所示，随着空顶距的增加，除了工作面顶板位移几乎无变化外，顶板和两帮的位移随着空顶距离的增加而增大。而且，当空顶距离大于4 m后工作面顶板和两帮的位移增加较为明显。

　　同时，不同空顶距离对应的掘进工作面巷道相应位置的等效应力仿真结果如表3所示。

　　如表3所示，工作面巷道对应位置的等效应力随着空顶距的增加而增加；同样的，当空顶距大于5.6 m时等效应力增加明显。因此，为了保证工作面围岩在决定过程中的稳定性的同时，尽可能的增大空顶距达到减小掘进与支护的交替频次，最终确定将空顶距确定为4 m。

　　4结语

　　目前，在煤矿实际开采过程中普遍存在掘进与采煤不相匹配的问题，从而直接影响了煤矿的生产效率。针对上述问题，本文对煤矿掘进工作面的掘进工艺进行改进，重点对掘进路径和空顶距两项进行优化。具体总结如下：

　　1）通过对比蛇形、回形以及螺旋形三种掘进路径对应掘进巷道围岩的垂直应力，蛇形和螺旋型的对应围岩的垂直应力相近且最小；综合考虑实际施工过程中操作的便捷性，确定采用蛇形路径对工作面巷道进行掘进。

　　2）通过对比不同空顶距对应工作面围岩的变形以及等效应力，为了保证工作面围岩在决定过程中的稳定性的同时，尽可能的增大空顶距达到减小掘进与支护的交替频次，最终确定将空顶距确定为4 m。

　　参考文献

　　[1]张喜文，段其涛，徐祝贺.大断面煤巷快速掘进工艺及参数优化研究[J].中国煤炭，2014（Supple1）：87-91.

　　[2]张东宝.煤巷智能快速掘进技术发展现状与关键技术[J].煤炭工程，2018，50（5）：56-59.

　　[3]王金力.大断面煤巷快速掘进技术研究与探索[J].煤炭科学技术，2002，30（Supple1）：55-57.

　　[4]郭中海.突出煤巷掘进水力掏槽工艺技术研究[J].煤炭科学技术，2005，33（9）：25-27.

　　[5]傅昆岚，黄成华，刘瑜,等.突出矿井煤巷快速掘进技术研究[J].煤炭技术，2007，26（8）：51-53.