馬 力，回新冬，姚強(qiáng)嶺

(1.皖北煤電集團(tuán)，安徽 宿州 234000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國(guó)綜采機(jī)械化水平和礦井配套設(shè)備的快速發(fā)展，綜采工作面開采水平與效率不斷提高，巖巷掘進(jìn)效率低速度慢，采掘比例嚴(yán)重失衡，造成礦井采掘接替銜接緊張，因此巖巷快速掘進(jìn)是保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵[1，2]。巖巷掘進(jìn)技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全，發(fā)展巖巷掘進(jìn)成套技術(shù)裝備，提高掘進(jìn)工藝水平已經(jīng)成為煤礦可持續(xù)健康發(fā)展、安全高效集約化生產(chǎn)的重要保障[3，4]。

目前我國(guó)巖巷掘進(jìn)主要采用鉆爆法與機(jī)掘法，其中絕大部分巖巷采用以氣腿式鑿巖機(jī)、耙斗式裝巖機(jī)為主的鉆爆法施工[5]，巖巷月進(jìn)尺一般為60m[6]。張召冉等[7]利用解析結(jié)構(gòu)模型將影響巖巷掘進(jìn)的因子分為表層、中層和深層三個(gè)層級(jí)，確定影響掘進(jìn)的關(guān)鍵性因素，并針對(duì)淮南礦區(qū)巖巷掘進(jìn)提出了改良措施。李愛軍[8]分析影響巖巷的掘進(jìn)速度的相關(guān)因素，提出了四位一體快速掘進(jìn)技術(shù)，并取得較好的應(yīng)用效果。魏垂勝[9]研究了線性聚能光面爆破技術(shù)與原理，提出了減小進(jìn)尺眼數(shù)目、裝藥量，提高光面的爆破效果。楊占卿[10]提出了“鉆錨機(jī)+挖裝機(jī)+帶式輸送機(jī)”連續(xù)排矸機(jī)械化配套作業(yè)線，并在平煤股份一礦三水平下延-950m水平回風(fēng)大巷取得了較好應(yīng)用效果。恒源煤礦Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)采用液壓掘進(jìn)臺(tái)車配套挖掘式裝載機(jī)快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線和中深孔光面爆破等巖巷掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)施工環(huán)境，作業(yè)效率顯著提升，實(shí)現(xiàn)了有效單進(jìn)4.7m/d。

1 工程地質(zhì)概況

恒源煤礦Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)位于Ⅱ63采區(qū)下部，沿6煤頂板施工，施工范圍內(nèi)煤巖層傾角2°～8°，平均傾角3.3°，局部受構(gòu)造影響可能達(dá)到15°以上。根據(jù)附近鉆孔資料顯示，巷道在施工過(guò)程中主要揭露的巖性有：細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖，其中泥巖所占比例較大，預(yù)計(jì)達(dá)60%以上。泥巖為灰～深灰色，薄層狀，含大量植物化石，其上部常常發(fā)育1～2條薄煤線；細(xì)砂巖為淺灰色，中厚層狀，裂隙十分發(fā)育，方解石脈充填其間；粉砂巖為灰色、塊狀，較致密，少量云母片和植物化石碎片。Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)巷道最大涌水量為6.8m3/h。

Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)東部平行布置Ⅱ63采區(qū)回風(fēng)下山及Ⅱ63采區(qū)運(yùn)輸下山，西部尚未布置采掘工程，南部為已布置兩個(gè)工作面的Ⅱ63采區(qū)上部，北部為三水平主暗斜井，主要滿足Ⅱ63采區(qū)工作面準(zhǔn)備和回采期間運(yùn)料、出矸、通風(fēng)、排水及管線鋪設(shè)的要求。巷道設(shè)計(jì)標(biāo)高在-720.241～-754.484m，以GXZ點(diǎn)前14808mm為巷中，按方位N253°、坡度3‰上山撥門開始施工，與Ⅱ63采區(qū)回風(fēng)下山貫通，Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)剖面圖如圖1所示。

圖1 Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)剖面圖

2 巖巷掘進(jìn)影響因素分析

2.1 原有配套設(shè)備及作業(yè)線

Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)初始采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)打進(jìn)尺眼，炮眼深度為2m，裝藥連線放炮，采用P-60B型耙矸機(jī)裝巖，DSJ100/63/2×75帶式輸送機(jī)運(yùn)輸、地倉(cāng)存儲(chǔ)、配合礦車出矸，掘進(jìn)后及時(shí)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)。采用“三八”制作業(yè)方式，每班循環(huán)進(jìn)尺1.6m，每日2個(gè)循環(huán)。Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)初始作業(yè)線設(shè)備布置如圖2所示。

1—YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)；2—矸石；3—P-60B型耙矸機(jī)；4—DSJ100/63/2×75帶式輸送機(jī)；5—地倉(cāng)；6—礦車；7—電機(jī)車圖2 Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)初始作業(yè)線設(shè)備布置圖

2.2 掘進(jìn)影響因素分析

巖巷掘進(jìn)主要包括“破、裝、運(yùn)、支”等工序，工序之間的銜接性、地質(zhì)條件、設(shè)備的機(jī)械化程度、組織管理形式、工人素質(zhì)水平等多種因素決定巷道掘進(jìn)速度。原有作業(yè)線月進(jìn)尺見表1，該作業(yè)線每日單進(jìn)3.0m，作業(yè)進(jìn)尺緩慢，施工效率低，巷道成型效果差，嚴(yán)重制約巖巷掘進(jìn)效率，通過(guò)恒源煤礦Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)掘進(jìn)現(xiàn)狀以及跟班檢測(cè)分析表明，制約巖巷掘進(jìn)速度提高的主要因素有以下幾個(gè)方面：

表1 原有作業(yè)線月進(jìn)尺情況

1)設(shè)備機(jī)械化水平低。Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)采用傳統(tǒng)的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)配套耙矸機(jī)作業(yè)線，以傳統(tǒng)站立手持式施工炮眼，炮眼成型效果差，并且工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，裝運(yùn)矸石工作效率低，需要人工配合清理矸石，巷道底板規(guī)整程度差，作業(yè)線工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)溫度高，工作面煤塵多，作業(yè)環(huán)境差。

2)部分工序作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)。風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)炮眼鉆孔施工速度0.3～0.6m/min，單個(gè)炮眼作業(yè)時(shí)間平均為8min，全斷面74個(gè)炮眼(炮眼深度2m)作業(yè)時(shí)間大約為220～230min，約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的50%～60%；P-60B型耙矸機(jī)裝載能力60～80m3/h，出貨時(shí)間為180～200min，約占整個(gè)作業(yè)循環(huán)時(shí)間的40%～50%。

3)地質(zhì)條件。Ⅱ63軌道下山(下段)施工中遇到的地質(zhì)構(gòu)造主要為斷層構(gòu)造和層滑構(gòu)造；可能遇到的斷層分別為EF99(產(chǎn)狀：EF99∠45～50°H=0～5m)、FⅡ63-8(產(chǎn)狀：FⅡ63-8∠30°H=6m)斷層，從斷層規(guī)模看，落差都在10m以下，對(duì)巷道施工會(huì)帶來(lái)一定的影響，巷道施工中遇到層滑構(gòu)造發(fā)育處，巖層穩(wěn)定性往往變差，造成不易支護(hù)，給生產(chǎn)帶來(lái)一定困難。

4)人員素質(zhì)。施工作業(yè)人員有59%為初中及以下學(xué)歷，33%為?？茖W(xué)歷，僅1%為大專學(xué)歷，施工作業(yè)人員學(xué)歷絕大多數(shù)為初中學(xué)歷，文化水平普遍偏低；30～40歲的員工占到了45%，40歲以上的員工占到了7%，而20～30歲的年輕一代員工只有8%，從中可以看出員工新生力量較少，在對(duì)新設(shè)備的適應(yīng)上員工可能會(huì)比較吃力，即適應(yīng)期比較長(zhǎng)，接受能力較差，現(xiàn)場(chǎng)管理不到位，自主學(xué)習(xí)能力弱；對(duì)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的熟悉程度低；施工技術(shù)不嫻熟、人機(jī)配合不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致各項(xiàng)工序施工時(shí)間長(zhǎng)。

3 巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)

3.1 設(shè)備配套及機(jī)械化作業(yè)線

3.1.1 設(shè)備選型

根據(jù)Ⅱ63軌道下山(下段)工程地質(zhì)條件以及生產(chǎn)現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)巖巷掘進(jìn)相機(jī)械進(jìn)行參數(shù)比較，液壓臺(tái)車配套挖裝機(jī)的巖巷快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線主要適用于巷道斷面3m×2.8m以上的巷道，巖石硬度較大，坡度較緩的上下山或平巷，巷道坡度不大于12°，爆破后塊度小于等于400mm，松散密度不大于1.8t/m3，巷道環(huán)境為-5～+40℃，最大相對(duì)濕度小于等于90%(溫度為25℃時(shí))，巷道長(zhǎng)度不大于2km的巷道。嘗試性采用CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車取代YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)巖機(jī)打進(jìn)尺眼，采用ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)取代傳統(tǒng)的P-60B型耙矸機(jī)，與CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車形成鉆裝運(yùn)一體化快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線。

掘進(jìn)工作面配套設(shè)備主要包括通風(fēng)工具、運(yùn)輸設(shè)備、裝巖設(shè)備以及液壓系統(tǒng)等，主要為一臺(tái)CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車、一臺(tái)ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)、一部DSJ2×75型帶式輸送機(jī)、一部P-60B耙矸機(jī)、2臺(tái)FBD№5/2×15局部通風(fēng)機(jī)、4臺(tái)MQT-130錨桿鉆機(jī)、8根DW25-70/63X(A)懸浮單體等。

3.1.2 機(jī)械化作業(yè)線

采用鉆爆法施工，采用CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車打進(jìn)尺眼，眼深3.0m，人工裝藥連線一次起爆，采用ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)進(jìn)行裝運(yùn)矸石，配合DSJ2×75型帶式輸送機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸，地倉(cāng)臨時(shí)儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)鉆眼、裝巖、運(yùn)輸一體化作業(yè)線，機(jī)械化作業(yè)線如圖3所示。施工工藝流程：交接班→安全檢查及確認(rèn)→觀測(cè)中、腰線→畫迎頭輪廓線、點(diǎn)炮眼眼位→鑿巖臺(tái)車施工全斷面炮眼→敲幫問頂找凈活矸、危巖→鑿巖臺(tái)車鉆臂鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)作為防護(hù)措施→迎頭吹眼→裝藥、連線、放炮→安全檢查及確認(rèn)→敲幫問頂→驗(yàn)炮→初噴→復(fù)噴(退后6m)→臨時(shí)支護(hù)(先掛網(wǎng))→出矸→點(diǎn)錨桿眼位→打錨桿眼→安裝錨桿→錨桿緊固。

1—CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車；2—ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)；3—DSJ2×75型帶式輸送機(jī)；4—地倉(cāng)；5—P-60B型耙矸機(jī)；6—礦車圖3 Ⅱ63軌道下山(下段)機(jī)械化作業(yè)線

施工人員進(jìn)入工作面首先進(jìn)行安全檢查，檢查加固支護(hù)，退出挖裝機(jī)，進(jìn)鑿巖臺(tái)車并且對(duì)迎頭進(jìn)行點(diǎn)眼，然后采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行打眼，打眼順序?yàn)橹苓呇邸籽邸o助眼→掏槽眼，按照“由外至內(nèi)，由上至下”的原則進(jìn)行打眼，人工進(jìn)行裝藥連線，然后將鑿巖臺(tái)車退至放炮安全距離以外，全斷面一次爆破，安全檢查灑水通風(fēng)，敲幫問頂檢驗(yàn)爆破效果，找頂應(yīng)從有完好支護(hù)地點(diǎn)開始，按“先頂后幫、由近到遠(yuǎn)、先大后小”的原則作業(yè)，臨時(shí)支護(hù)采用初噴配合帶帽點(diǎn)柱。臨時(shí)支護(hù)結(jié)束后迎頭施工人員全部撤出，進(jìn)挖裝機(jī)，使淺部刮板輸送機(jī)裝滿矸石，然后不斷運(yùn)挖斗將矸石耙至輸送機(jī)，通過(guò)輸送機(jī)運(yùn)至膠帶，實(shí)現(xiàn)了矸石連續(xù)快速運(yùn)輸，動(dòng)力電纜采用人工托運(yùn)的方式進(jìn)行作業(yè)。工作面矸石清理完后，退出挖裝機(jī)，按照由外至內(nèi)，由頂至幫的原則施工錨桿、錨索，直至完成工作面迎頭支護(hù)工作然后進(jìn)行下一循環(huán)。

3.2 中深孔光面爆破技術(shù)

巖巷鉆爆法快速掘進(jìn)技術(shù)的有效實(shí)施可以通過(guò)運(yùn)用中深孔爆破增加循環(huán)進(jìn)尺、相關(guān)的定向爆破斷裂技術(shù)控制巷道成型，根據(jù)鉆眼爆破與中深孔爆破理論為基礎(chǔ)，通過(guò)增加炮孔深度，優(yōu)化裝藥量及起爆順序提高巷道單進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺，提高施工效率[11-13]。CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車，炮眼施工速度快炮眼深度大，施工質(zhì)量好，能很大程度上滿足為中深孔爆破技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了保障。使用PT473為水膠炸藥，毫秒延期電雷管(前5段)，串并聯(lián)聯(lián)線，正向裝藥起爆全斷面一次爆破，通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件以及多次調(diào)結(jié)爆破參數(shù)，炮眼深度為2.8m(掏槽眼3.0m)，爆破時(shí)的炮眼利用率為80%，取得了良好的爆破效果，每循環(huán)進(jìn)尺2.7m。炮眼布置如圖4所示，炮眼裝藥量及起爆順序見表2。

圖4 Ⅱ63采區(qū)軌道下山炮眼布置圖(mm)

表2 炮眼裝藥量及起爆順序

4 掘進(jìn)工藝應(yīng)用性分析

Ⅱ63采區(qū)軌道下山(下段)采用CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車配套ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線[14，15]，在“掘、支、運(yùn)”三大工序中深孔爆破、合理化支護(hù)、機(jī)械化裝運(yùn)及其之間優(yōu)化配置，改善了各工序間銜接緊張或不合理接續(xù)導(dǎo)致低效的組織管理，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1)單進(jìn)水平。進(jìn)尺速度大幅增長(zhǎng)，設(shè)備存在一定的適用期，2018年11月開始至2019年2月，快速掘進(jìn)作業(yè)線月進(jìn)尺見表3，隨著適用性的增加有效單進(jìn)由2.5m/d逐步增加至4.7m/d，初始的鑿巖機(jī)配套耙矸機(jī)作業(yè)線平均有效單進(jìn)只有3.0m/d，較大幅度提高了勞動(dòng)效率和單進(jìn)水平。

2)打眼。施工速度快，掘進(jìn)工效高，初始迎頭采用兩部風(fēng)動(dòng)巖機(jī)打炮眼，工人5人，平均每人每小時(shí)施工4個(gè)炮眼，液壓掘進(jìn)臺(tái)車僅需兩人操作且為雙臂作業(yè)，作業(yè)工效增加為每人每小時(shí)19個(gè)炮眼，作業(yè)工效提升4～5倍，見表4。

表3 快速掘進(jìn)作業(yè)線月進(jìn)尺

CMJ2-18型液壓掘進(jìn)臺(tái)車主要優(yōu)勢(shì)為：①施工速度快，采用雙臂工作，施工速度快，液壓傳感系統(tǒng)先進(jìn)，炮孔成型效果較好；②勞動(dòng)強(qiáng)度低，設(shè)備操作僅需兩人即可，節(jié)省人力資源，并且取代原有工人雙持站立式搬運(yùn)工作模式有了極大的改善；③操作靈活方便，設(shè)備機(jī)型較小，能實(shí)現(xiàn)全斷面打眼，作業(yè)穩(wěn)定，工作面煤塵少與噪音低，零部件拆裝簡(jiǎn)單，方便井口提升。

表4 炮眼施工效率

3)裝巖。ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)是一種連續(xù)裝載高效率挖裝機(jī)，裝載能力為150m3/h，挖掘?qū)挾?.8m，相對(duì)于傳統(tǒng)P-60B型耙矸機(jī)，作業(yè)人數(shù)由原來(lái)的5人減少為3人，而工效由3.96 m3/(工·h)提升為8.48m3/(工·h)，作業(yè)效率大幅提升，見表5?？梢姡琙WY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)作業(yè)靈活，實(shí)現(xiàn)全斷面裝巖，不留死角，無(wú)需人工輔助清底裝巖，工作平穩(wěn)無(wú)沖壓，設(shè)計(jì)先進(jìn)工作可靠，液壓傳感系統(tǒng)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單方便，維修方便，且工作面迎頭煤塵低，極大改善工作面作業(yè)施工環(huán)境。

表5 裝矸施工效率情況

4)作業(yè)安全可靠，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低；挖裝機(jī)與液壓掘進(jìn)臺(tái)車操作簡(jiǎn)單，僅需1～2人即可操作，節(jié)省人力資源，并且從根本上緩解傳統(tǒng)的繁重體力勞動(dòng)，并且遠(yuǎn)離迎頭臨時(shí)支護(hù)區(qū)域，防止片幫冒頂?shù)劝踩鹿实陌l(fā)生，極大程度上保證生產(chǎn)安全；作業(yè)環(huán)境有了極大的改善，工作噪音低，采用濕式打眼，工作面煤塵較少，液壓掘進(jìn)臺(tái)車與挖掘式裝載機(jī)配套機(jī)械化作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)了全斷面一次打眼、裝巖，實(shí)現(xiàn)破裝運(yùn)連續(xù)高效一體化作業(yè)，作業(yè)工效由0.135m/工增加為0.163m/工。

5 結(jié) 論

1)使用液壓臺(tái)車配套挖裝機(jī)快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線施工速度快，作業(yè)工效大幅提升，勞動(dòng)強(qiáng)度與施工作業(yè)環(huán)境有了極大地改善，但該作業(yè)線工序銜接性較差，打炮眼與裝巖效率仍有待提高。

2)液壓臺(tái)車配套挖裝機(jī)快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線完全可以滿足礦井企業(yè)安全高效快速掘進(jìn)發(fā)展要求，緩解恒源煤礦采掘比例失衡與采掘銜接問題，為巖巷機(jī)械化作業(yè)線的優(yōu)化與改進(jìn)以及現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)組織情況的管理提供了一定的依據(jù)與借鑒。