陳本良，王開(kāi)元

(1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232000；2.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 謝橋煤礦，安徽 淮南 236221)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型和能源供給側(cè)改革[1]，小煤礦淘汰力度加大，大型煤礦數(shù)量占比逐步增大，《全國(guó)安全生產(chǎn)專(zhuān)項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》提出，2022年全國(guó)大型煤礦的占比將達(dá)到70%以上[2]。如何大幅提高大型礦井出矸作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，以保障礦井“掘、裝、運(yùn)、采”平衡，成為我國(guó)煤礦現(xiàn)階段研究的重要課題[3]。液壓耙矸機(jī)、側(cè)卸式裝載機(jī)、帶式輸送機(jī)、礦車(chē)等裝運(yùn)矸設(shè)備在煤礦巖巷掘進(jìn)中普遍使用。液壓耙矸機(jī)用于礦山巖巷掘進(jìn)裝矸，通過(guò)履帶推進(jìn)鏟取矸石，通過(guò)鏟斗將矸石扒進(jìn)刮板輸送機(jī)上，從尾部卸入礦車(chē)或其他轉(zhuǎn)載設(shè)備中[4]。礦車(chē)具有體積小、周轉(zhuǎn)方便的優(yōu)點(diǎn)，在施工井底車(chē)場(chǎng)、硐室、彎道等一些距離較短的巷道時(shí)，較為適用；當(dāng)巷道距離較長(zhǎng)時(shí)弊端顯現(xiàn)，比如鋪軌周期長(zhǎng)、占據(jù)巷道空間大、裝矸不連續(xù)、倒運(yùn)量大、人員投入多、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等[5]，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度[6]。帶式輸送機(jī)適合長(zhǎng)距離、大流量運(yùn)輸，但對(duì)巷道坡度、平直性、彎度等要求較高[7]。

謝橋煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產(chǎn)能力達(dá)到1000萬(wàn)t/a[8]，對(duì)采、掘接替要求高。12314工作面下巷車(chē)場(chǎng)及聯(lián)巷出矸系統(tǒng)復(fù)雜，且生產(chǎn)任務(wù)重，為加快該工作面的掘進(jìn)速度，首先要解決出矸效率問(wèn)題。

1 工程概況

12314下巷車(chē)場(chǎng)及聯(lián)巷布置如圖1所示，總長(zhǎng)481.78m。巷道從西翼B4煤層底板軌道上山撥門(mén)開(kāi)始，以3‰上坡施工12314下巷車(chē)場(chǎng)，長(zhǎng)114.73m；再以17°上山施工12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷，長(zhǎng)40.85m；再以3‰上坡施工12314下巷出煤聯(lián)巷，長(zhǎng)281.82m；最后再以14°上山施工12314下巷機(jī)頭聯(lián)巷，長(zhǎng)34.58m。

圖1 12314下巷車(chē)場(chǎng)及聯(lián)巷布置

12314工作面下巷車(chē)場(chǎng)及聯(lián)巷變坡點(diǎn)多、彎道多，每段長(zhǎng)度差別大，工程條件差異大，出矸系統(tǒng)不能一成不變，應(yīng)分段設(shè)計(jì)、總體優(yōu)化，使出矸設(shè)備功能與巷道工程技術(shù)條件相適應(yīng)，并借助矸石倉(cāng)、溜煤立眼等輔助措施，最終達(dá)到提高工效、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保障“掘、裝、運(yùn)”平衡的目的。

2 12314下巷車(chē)場(chǎng)出矸系統(tǒng)

2.1 12314下巷車(chē)場(chǎng)出矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先掘進(jìn)12314下巷車(chē)場(chǎng)，巷道長(zhǎng)度114.73m，轉(zhuǎn)角彎度接近90°，采用“耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)[9]，其出矸的工藝組合系統(tǒng)如圖2所示。迎頭出矸采用耙斗裝巖機(jī)，型號(hào)為P-90(B)，可實(shí)現(xiàn)迎頭快速耙矸、裝矸；后路運(yùn)輸采用礦車(chē)，從西翼B4煤層底板軌道上山內(nèi)軌道分叉，引入12314下巷車(chē)場(chǎng)；考慮車(chē)場(chǎng)段距離較短，坡度較小，現(xiàn)場(chǎng)采用人工推車(chē)方式。

圖2 “耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸組合系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，每班用工9人，其中上口4人，下口4人，絞車(chē)司機(jī)1人；前期掘進(jìn)、出矸速度較快，每班出矸9車(chē)，平均每月進(jìn)尺達(dá)到55m；拐彎后排矸效率逐漸降低，裝矸、運(yùn)矸工序占用時(shí)間較長(zhǎng)，每班出矸6車(chē)，平均每月進(jìn)尺降低到36m。

2.2 12314下巷車(chē)場(chǎng)出矸系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

1)“耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為：準(zhǔn)備工程量小，工期短，經(jīng)濟(jì)成本低。

2)“耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)缺點(diǎn)為：①裝矸、運(yùn)矸工序不連續(xù)，造成整個(gè)排矸工作用時(shí)較長(zhǎng)，排矸效率逐漸降低；②打運(yùn)人數(shù)多，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在安全隱患；③打運(yùn)期間警戒時(shí)間長(zhǎng)，影響本掘進(jìn)工作面的人員同行和物料打運(yùn)，同時(shí)還影響另一個(gè)掘進(jìn)工作面的施工。

2.3 12314下巷車(chē)場(chǎng)出矸系統(tǒng)適用條件

“耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)適用條件為：①巷道長(zhǎng)度不大于80m為宜；②巷道彎道轉(zhuǎn)角大，不具備鋪設(shè)帶式輸送機(jī)條件；③巷道坡度小于7‰。

3 12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷出矸系統(tǒng)

3.1 12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷出矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸聯(lián)巷坡度為17°，由于坡度較大，不能使用礦車(chē)出矸，因此，運(yùn)輸聯(lián)巷掘進(jìn)期間，迎頭出矸采用“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)”，耙斗裝巖機(jī)型號(hào)為P-90(B)，帶式輸送機(jī)為55kW電滾筒帶式輸送機(jī)。車(chē)場(chǎng)由于彎度較大不具備鋪設(shè)帶式輸送機(jī)的條件，因此帶式輸送機(jī)只鋪設(shè)到運(yùn)輸聯(lián)巷段，帶式輸送機(jī)后(車(chē)場(chǎng)段)仍使用礦車(chē)出矸。

由上面可知，車(chē)場(chǎng)掘進(jìn)后期礦車(chē)運(yùn)矸工效較低，如果在帶式輸送機(jī)后直接用礦車(chē)運(yùn)輸，整個(gè)運(yùn)輸效率將會(huì)比車(chē)場(chǎng)更低。優(yōu)化方法為：在車(chē)場(chǎng)下部巷道靠邊挖一深坑，該坑作為水平臨時(shí)矸石倉(cāng)，儲(chǔ)存迎頭帶式輸送機(jī)運(yùn)來(lái)的矸石；同時(shí)，在此處配備P-90(B)型耙斗裝巖機(jī)、礦車(chē)，進(jìn)行矸石的巷道運(yùn)輸，形成“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)[10-12]，其出矸組合系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 “耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸組合系統(tǒng)

矸石倉(cāng)作為該出矸系統(tǒng)的矸石臨時(shí)儲(chǔ)存和中轉(zhuǎn)的樞紐，緊跟在帶式輸送機(jī)后方，位于車(chē)場(chǎng)與運(yùn)輸聯(lián)巷連接處，體積容量以滿足兩個(gè)爆破掘進(jìn)循環(huán)的出矸量為宜。每班掘進(jìn)進(jìn)尺按2.0m設(shè)計(jì)，則每次爆破產(chǎn)生的矸石約為30m3左右，再考慮爆破后巖石的松散系數(shù)，則每班爆破的矸石體積有50m3，因此矸石倉(cāng)的設(shè)計(jì)容積為100m3。矸石倉(cāng)橫斷面如圖4所示。

圖4 矸石倉(cāng)橫斷面(mm)

矸石倉(cāng)的施工參數(shù)及步驟如下：①矸石倉(cāng)搭設(shè)長(zhǎng)度35m，將矸石倉(cāng)所在范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一挖底，在靠近倉(cāng)尾處臥成一條慢上坡，以便耙斗裝巖機(jī)上矸方便，同時(shí)也可以起到保護(hù)設(shè)備的作用；②使用3寸鐵管作為立柱，立柱間距2m，立柱上端使用8#鐵絲端捆扎在錨桿上，下端固定在底板上，深入底板不得小于300mm，并用強(qiáng)度不小于C20的水泥澆筑，立柱要垂直頂?shù)装?，不得前傾后仰；③立柱之間使用大板密排疊加在一起，疊加高度不小于1.5m，使用雙股8#鐵絲將大板固定在立柱上，大板規(guī)格：長(zhǎng)×寬×厚=4000mm×200mm×70mm；④矸石倉(cāng)距離軌道的安全間隙不得小于300mm；⑤耙矸機(jī)回頭滑固定在矸石倉(cāng)內(nèi)錨桿(錨索)或鋼梁上，耙矸機(jī)運(yùn)行時(shí)，矸石倉(cāng)內(nèi)嚴(yán)禁有人，矸石倉(cāng)外可以行人；⑥耙矸機(jī)耙矸時(shí)，不得耙壞立柱基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)立柱基礎(chǔ)損壞的，要及時(shí)修補(bǔ)；⑦矸石倉(cāng)的矸石不得超過(guò)矸石倉(cāng)擋墻高度，灑落在擋墻外的矸石要及時(shí)清理。

12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷迎頭排矸采用耙斗裝巖機(jī)配合帶式輸送機(jī)替代原來(lái)的耙斗裝巖機(jī)，后路運(yùn)輸采用水平矸石倉(cāng)配合礦車(chē)替代原來(lái)的單一礦車(chē)排矸，每班用工13人，其中帶式輸送機(jī)司機(jī)2人，耙矸機(jī)司機(jī)2人，上口出矸工4人，下口出矸5人。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸聯(lián)巷采用“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)，迎頭裝矸和后路運(yùn)矸相互獨(dú)立，每班可出矸18車(chē)，平均月進(jìn)尺達(dá)到100m左右。

3.2 12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷出矸系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

1)“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了裝、運(yùn)平行作業(yè)，迎頭“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)”出矸與后路“矸石倉(cāng)+礦車(chē)”運(yùn)矸互不影響，在迎頭打眼、爆破和支護(hù)施工的同時(shí)，進(jìn)行矸石外運(yùn)作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)了迎頭施工和后路運(yùn)輸?shù)钠叫凶鳂I(yè)，解決了礦車(chē)供應(yīng)不足、迎頭出矸不及時(shí)帶來(lái)的停工問(wèn)題；②矸石倉(cāng)的使用增大了工作面矸石的儲(chǔ)存空間，充分發(fā)揮了帶式輸送機(jī)出矸快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，保證了矸石倒運(yùn)的連續(xù)性；③充分實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)、裝、運(yùn)一體化作業(yè)，提高了出巖能力和掘進(jìn)速度。

2)耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)：①增加了工作人員數(shù)量，勞動(dòng)強(qiáng)度大；②沒(méi)有杜絕礦車(chē)排矸，仍然存在安全隱患；③礦車(chē)打運(yùn)期間警戒時(shí)間長(zhǎng)，影響本掘進(jìn)工作面的人員同行和物料打運(yùn)，同時(shí)還影響另一個(gè)掘進(jìn)工作面的施工；④增加了矸石倉(cāng)施工工程量。

3.3 12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷出矸系統(tǒng)適用條件

“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)適用條件：①巷道長(zhǎng)度一般大于200m；②巷道距離矸石倉(cāng)較遠(yuǎn)；③部分段巷道彎度大，不具備鋪設(shè)帶式輸送機(jī)條件。

4 12314下巷出煤聯(lián)巷出矸系統(tǒng)

4.1 12314下巷出煤聯(lián)巷出矸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12314下巷出煤聯(lián)巷坡度為3‰，長(zhǎng)316m。在12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷出矸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了取消礦車(chē)出矸，進(jìn)一步提高排矸效率，對(duì)出煤聯(lián)巷的排矸路線和排矸系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，提出了溜煤立眼、帶式輸送機(jī)溝槽和矸石倉(cāng)輔助運(yùn)輸措施，形成了“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+立眼+帶式輸送機(jī)”出矸系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)的排矸路線由原來(lái)的“12314下巷出煤聯(lián)巷→運(yùn)輸聯(lián)巷→車(chē)場(chǎng)→西翼B4煤層底板軌道上山”路線，改進(jìn)為“12314下巷出煤聯(lián)巷→運(yùn)輸聯(lián)巷→西翼B4煤層底板軌道上山”路線，省掉了車(chē)場(chǎng)大彎道路線。

圖5 12314下巷出煤聯(lián)巷出矸系統(tǒng)

4.1.1 溜矸立眼

溜矸立眼在整個(gè)排矸系統(tǒng)優(yōu)化中起著關(guān)鍵作用：一是改變了原始排矸線路，縮短了運(yùn)輸距離；二是新線路繞過(guò)了車(chē)場(chǎng)彎道，為使用帶式輸送機(jī)出矸代替礦車(chē)提供了前提條件[13，14]。

采用反潛鉆機(jī)，在西翼B4煤層底板軌道上山向12314下巷車(chē)場(chǎng)施工一個(gè)直徑為850mm的立眼，然后對(duì)立眼進(jìn)行擴(kuò)刷和加固。溜矸立眼上口、下口巷道均已掘出，目前附近沒(méi)有采掘活動(dòng)，不會(huì)對(duì)溜矸立眼施工造成影響。溜矸立眼采用混凝土澆筑，混泥土強(qiáng)度等級(jí)為C20，澆筑前上口鐵篦子和下鎖口先用22kg/m鋼軌并排鋪設(shè)，使之成為整體。澆筑結(jié)束后對(duì)溜矸立眼進(jìn)行注漿加固。溜矸立眼布置如圖6所示。

圖6 溜矸立眼布置(mm)

4.1.2 帶式輸送機(jī)溝槽

設(shè)計(jì)在靠近西翼B4煤層底板軌道上山巷道內(nèi)的另一幫鋪設(shè)帶式輸送機(jī)，使用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸溜矸立眼的矸石，則帶式輸送機(jī)與軌道在12314下巷車(chē)場(chǎng)撥門(mén)口交叉，相互影響。經(jīng)過(guò)分析，在撥門(mén)口前后25m向下挖一溝槽，使帶式輸送機(jī)從軌道下方的溝槽內(nèi)通過(guò)，保證帶式輸送機(jī)和軌道獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。溝槽寬1.8m，深0.1～1.4m，長(zhǎng)50m，其支護(hù)方式如圖7所示[15]。

圖7 帶式輸送機(jī)溝槽斷面(mm)

1)溝槽兩邊進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)或澆筑混凝土。錨桿規(guī)格為?18mm×1600mm，每孔2支Z2360/Z2850型樹(shù)脂錨固劑，錨桿間排距800mm×800mm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為?6.5mm×1000mm×1800mm。全斷面掛網(wǎng)，噴厚100mm，混凝土強(qiáng)度為C20。兩幫底腳噴漿至施工底板以下100mm。

2)橫跨帶式輸送機(jī)上方鋪設(shè)的軌道必須在軌枕下方擔(dān)設(shè)38kg/m軌道，軌道間距300～400mm，在道板面鋪設(shè)大板并打水泥地坪，供行人安全；帶式輸送機(jī)上方架設(shè)的軌道底面距帶式輸送機(jī)架高度不小于300mm。

3)在溝槽兩側(cè)底部位置豎向施工?20mm×1800mm錨桿或砸入釬桿，錨桿(或釬桿)間距1m，錨桿每眼一卷Z2850樹(shù)脂錨固劑，錨桿(或釬桿)之間用鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行捆扎牢固，防護(hù)高度道板面向上不小于300mm。超出道板面部分用70mm厚大板豎向進(jìn)行防護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，12314下巷出煤聯(lián)巷出矸每班共需7人，其中帶式輸送機(jī)司機(jī)2人，耙矸機(jī)司機(jī)1人，上口出矸工4人，掘進(jìn)隊(duì)由原來(lái)的“三八制”調(diào)整為“四六制”，平均月進(jìn)尺達(dá)到180m。

4.2 12314下巷出煤聯(lián)巷出矸系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

1)“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+立眼+帶式輸送機(jī)”出矸系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：①全程取消了礦車(chē)，真正實(shí)現(xiàn)了連續(xù)出矸，提高了出矸系統(tǒng)的機(jī)械化水平；②降低了用工數(shù)量，比12314下巷車(chē)場(chǎng)平均每班少2人，比12314下巷運(yùn)輸聯(lián)巷平均每班少4人，大大節(jié)省了人力成本，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；③優(yōu)化了排矸路線，縮短了長(zhǎng)度；④大大提高了排矸效率和掘進(jìn)速度。

2)“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+立眼+帶式輸送機(jī)”出矸系統(tǒng)缺點(diǎn)：增加了溜矸立眼和帶式輸送機(jī)溝槽施工工程量，前期準(zhǔn)備工期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)投入大。

4.3 12314下巷出煤聯(lián)巷出矸系統(tǒng)適用條件

“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+立眼+帶式輸送機(jī)”出矸系統(tǒng)適用條件：①巷道長(zhǎng)度大于500m；②巷道距離矸石倉(cāng)較遠(yuǎn)；③礦井生產(chǎn)能力大于300萬(wàn)t/a；④溜矸立眼長(zhǎng)度不超過(guò)30m為宜；⑤“四六制”掘進(jìn)工作制度。

5 結(jié) 語(yǔ)

出矸系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中較為重要的一環(huán)，出矸效率的高低直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。根據(jù)謝橋煤礦12314下巷車(chē)場(chǎng)、運(yùn)輸及出煤聯(lián)巷三種工程條件，“因地制宜”的提出了三種出矸系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”出矸系統(tǒng)前期準(zhǔn)備工作量小，但矸石在迎頭堆積，適合短距離、車(chē)場(chǎng)彎道出矸；“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+耙斗裝巖機(jī)+礦車(chē)”實(shí)現(xiàn)了裝矸、運(yùn)矸平行作業(yè)，出矸效率有所提高，但用人增多，且仍受礦車(chē)運(yùn)輸約束；“耙斗裝巖機(jī)+帶式輸送機(jī)+矸石倉(cāng)+立眼+帶式輸送機(jī)”出矸系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了連續(xù)出矸，大大節(jié)省了人力成本，提高了出矸效率，月掘進(jìn)速度達(dá)到180m，適合在長(zhǎng)距離巷道使用。