综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法与流程

本发明属于煤矿掘进工艺，具体涉及一种综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法。

背景技术：

某矿采煤方法为走向长壁后退式综合机械化放顶煤和大采高采煤法，开采强度大，要求的巷道断面也较大，回采巷道宽度普遍为5米或5.5米。为解决瓦斯问题，工作面普遍使用多巷布置方式，辅助进风巷和回风巷之间每隔60-80米施工一个联络横川，横川断面为4.5米或5米。煤巷掘进全部采用ebz150、ebz160或160ty等其他型号的掘进机，因综掘机机身普遍长达9米以上，因此在拐弯掘进过程中不得不向掘进方向内侧抹角以满足机组转弯需要，由此便造成本就是大断面的巷道交叉点处跨度更大。

巷道交叉点处于两条巷道的贯通处，该处往往处于巷道支承压力叠加区域，顶板控顶面积大，为矿井巷道支护体系中的薄弱地带，采煤工作面回采过程中的冒顶事故经常发生在巷道交叉口，因此尽可能的减小巷道交叉点跨度，缩小控顶面积对于促进矿井安全生产具有重要意义。

根据常识，同一种型号的综掘机在不同宽度的巷道内拐弯需要的抹角尺寸是不同的，所在巷道宽度越大，拐弯越容易，需要的磨角尺寸就越小；在同一条巷道内使用不同型号的综掘机掘进拐弯时需要的抹角尺寸也是不同的，综掘机越短、截割机构摆动幅度越大，拐弯越容易，需要的抹角尺寸也就越小。事实上，施工过程中割煤司机为了操作简便、进退灵活，往往造成现场抹角尺寸过大，给顶板管理埋下了隐患。

技术实现要素：

本发明为了解决现有施工方法依靠经验、抹角尺寸不精确等问题，提供了一种能精确确定煤矿井下巷道交叉点尺寸的综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法。

本发明采用如下技术方案：

一种综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法，其特征在于，模拟步骤如下：

根据综掘巷道宽度以及综掘机机身参数建立巷道-掘进机拐弯模型，所述巷道为“┍”状的直角拐弯型；

根据综掘机切割头摆角和巷道宽度确定抹角深度；

根据抹角深度位置点和综掘机的斜对角线长度确定抹角宽度。

抹角深度的具体确定方法如下：

根据直角拐弯巷道模型，旋转掘进机机身直至掘进机切割头重新与横向掘进方向重合；然后平移掘进机机组保证机身尾部不超出所在巷道，此时切割头根部所在点a至所在竖向巷道右帮的垂直点b距离即为抹角深度。

抹角宽度的具体确定方向如下：

以抹角深度确定状态时的切割头根部所在点a为圆心，掘进机的斜对角线长度为半径画圆，标定该圆与掘进机所在竖向巷道左帮的交点c；

将掘进机机身的左下角设置于c点处；

以c点为基点，旋转掘进机模型使切割头右上角位于抹角深度确定状态时的切割头根部所在点a处，此时，机身与所在竖向巷道右帮交点e即为抹角起点，则△abc区域为最小抹角区。

本发明通过cad等绘图软件预先模拟掘进机机组拐弯掘进时的状态，从而确定最小抹角尺寸，使直角拐弯巷道的施工尺寸有据可依，可有效避免原人工估算施工时存在的以下几方面问题：1）抹角尺寸过大时，导致支护材料浪费、顶板管理存在安全隐患；2）抹角尺寸不足时，会造成拐弯困难，甚至出现掘进机与巷道两帮碰触的安全事故。

附图说明

图1为掘进机的模型示意图；

图2、3分别为掘进机直巷掘进和拐弯掘进时的示意图；

图4、5分别为确定抹角深度时的两步骤示意图（切割臂极限角度与掘进方向重合，而机身不超出巷帮的位置为抹角深度）；

图6、7、8分别为确定抹角宽度时的三步骤示意图（综掘机切割头极限状态下能够切割抹角终点内侧的煤帮而机组本体不受干扰的位置即为抹角宽度）

图中：1-切割头、2-机身、3-巷道。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

巷道施工过程中存在直角转弯，采用综掘机掘进时，由于综掘机外形尺寸较大，割煤过程中需要将拐弯内侧的煤帮进行刷大，从而保证综掘机顺利通过并按照需要的方位角继续掘进，该模拟方法根据施工要求利用绘图软件确定了刷大尺寸。

因此，本发明通过模拟综掘机拐弯掘进时的极限状态，先确定抹角深度，然后利用抹角深度确定磨角宽度。模拟步骤如下：

根据综掘巷道宽度以及综掘机机身参数建立巷道-掘进机拐弯模型，所述巷道为“┍”状的直角拐弯型；

根据综掘机切割头摆角和巷道宽度确定抹角深度；

根据抹角深度位置确定点和综掘机的斜对角线长度（即综掘机的掘进要求）确定抹角宽度。

某矿常用的巷道宽度有4.52米、5米、5.5米和5.8米几种，其中以5米宽巷道居多，此处以5米巷道为例叙述抹角尺寸模拟方法。

该矿在用综掘机中160ty型机身最长，截割头不能伸缩，以该机型为例进行叙述。模拟需要的关键技术参数：长度9.8米，机身宽度2.55米，铲板宽度3.0米，切割头长度900mm，切割机构长度为3685mm，最大摆动角度37°。

一、建立模型

根据上述基础参数建立综掘机拐弯抹角模型，图2为正常掘进状态，图3为拐弯掘进时综掘机的状态，因现场操作环境特殊，机组和巷帮（巷帮指巷道的两侧）之间需要预留一定的安全间隙，因此建立模型时对机组进行了简化，需要做以下三点说明：

1、综掘机机身宽度为2.55米，铲板宽度为3.0米，铲板随机身摆动，模拟时机组宽度按照3米考虑。

2、机组中部刮板输送机机头实际超出机组本体，即机尾处实际宽度不足3米，考虑到拐弯时机组后方需要吊挂转载机，因此超出部分实际宽度不考虑。

3、切割头为不规则的镐形，模拟时不考虑切割头的宽度。

二、抹角深度的确定

如图4、5所示，旋转机身至切割头与横向掘进方向重合，平移掘进机机组保证机身尾部不超出所在竖向巷道，此时切割头根部a点至所在竖向巷道右帮垂直点b的距离即为抹角深度。

三、抹角宽度的确定

1、以图5中的切割头根部a点为圆心，机组模型左下角至右上角连线长度（即斜对角线长度）为半径画圆，找到圆与机组机身所在竖向巷道左帮的交点c；

2、将机组模型左下角放在确定的交点c处；

3、以确定的交点c为基点，旋转机组模型使切割头摆到图5中的切割头根部a点位置，此时机身与机组所在竖向巷道右侧交点e即为抹角起点,则△abc区域为最小抹角区，实际施工时，可适当扩大抹角区域。

由于巷道断面大、多巷布置方式和综掘施工工艺在煤矿井下产生了较多的大跨度巷道交叉点。这些交叉点是矿井支护体系中的薄弱环节，交叉点过大在造成支护材料浪费的同时给顶板管理埋下了。

本发明为了减小巷道交叉点处控顶面积，确定不同型号的综掘机在不同宽度的巷道内拐弯抹角尺寸，为顶板管理提供依据。根据综掘机的技术参数，使用cad绘图软件模拟机组拐弯掘进时的状态，从而确定抹角尺寸。该模拟方法建立了简化模型，将综掘巷道直角拐弯掘进的动态过程简化为几个极限状态，形成了综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法并总结了其中的规律。

技术特征：

技术总结
本发明属于煤矿掘进工艺，为了解决现有施工方法依靠经验、抹角尺寸不精确等问题，本发明提供了一种综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法，模拟步骤如下：根据综掘巷道宽度以及综掘机机身参数建立巷道‑掘进机拐弯模型，所述巷道为“┍”状的直角拐弯型；根据综掘机切割头摆角和巷道宽度确定抹角深度；根据抹角深度位置点和综掘机的斜对角线长度确定抹角宽度。本发明通过建立简化模型，将综掘巷道直角拐弯掘进的动态过程简化为几个极限状态，形成了综掘巷道直角拐弯抹角尺寸模拟方法并总结了其中的规律，可有效避免原人工估算施工时存在的支护材料浪费、顶板管理存在安全隐患、拐弯困难等问题。

技术研发人员：朱德智;李志刚
受保护的技术使用者：山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司
技术研发日：2017.07.25
技术公布日：2017.11.07