趙改革

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司煤礦運營公司，陜西 渭南 715517)

0 引言

隨著煤礦采掘機械化程度逐漸提高[1]，蒲白黃陵新區(qū)下轄兩礦年產(chǎn)量可達500萬t。其中，建新煤化年產(chǎn)量達400萬t，建莊礦業(yè)年產(chǎn)量達500萬t，工作面推進效率明顯提高，而這也對回采巷道掘進效率提出了更高的要求，礦井采掘接續(xù)問題成為了制約礦井進一步安全高效生產(chǎn)的瓶頸[2]。

蒲白礦業(yè)有限公司煤礦運營公司目前主要承攬蒲白黃陵新區(qū)兩礦掘進工程，礦井均仍延續(xù)傳統(tǒng)煤巷掘進施工工藝，即“綜掘機+單體錨桿機”頻繁交叉換位、交替作業(yè)，采用EBZ-200型掘進機掘進，MYT1-125錨桿機和ZM-15D風(fēng)煤鉆進行頂板及兩幫的支護作業(yè)。在一個正規(guī)作業(yè)循環(huán)中，巷道截割時間約占30%，支護時間占60%，其它時間占10%，其中支護時間占比達一半以上，支護效率偏低是制約巷道掘進效率提升的主要影響因素。現(xiàn)階段懸臂掘進機與單體錨桿鉆機配套的掘進工藝較為傳統(tǒng)[3]，巷道掘進單進進尺260 m左右，掘進效率相對偏低，掘進速度無法滿足礦井安全高效生產(chǎn)需求，開展黃陵新區(qū)礦井快速掘進技術(shù)研究與應(yīng)用具有十分重大的現(xiàn)實意義。

因此，文中基于陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司黃陵新區(qū)下屬兩對生產(chǎn)礦井快速掘進關(guān)鍵技術(shù)研究，分別對蒲白黃陵新區(qū)建莊礦業(yè)、建新煤化目前回采試驗階段的回采巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件進行深入調(diào)研分析，結(jié)合巷道快速掘進生產(chǎn)技術(shù)要求，研發(fā)巷道掘錨一體化快速掘進關(guān)鍵技術(shù)，并基于蒲白黃陵新區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件進行技術(shù)適應(yīng)性改造設(shè)計等，研究結(jié)果對于深部復(fù)雜條件下快速掘進系統(tǒng)設(shè)備科學(xué)研究與方案設(shè)計具有較大參考價值。

1 工程背景

根據(jù)建莊礦業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件分析結(jié)果，礦井4-2號煤層水文地質(zhì)條件簡單，煤層結(jié)構(gòu)簡單，4-2號煤層基本頂為“小街砂巖”，巖性為中、細粒長石石英砂巖及長石砂巖，頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定，巖芯完整，裂隙不發(fā)育，4-2號煤層平均巷道長度達1 300 m，巷道寬度5.2 m、高3.6 m。

根據(jù)建新煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件分析結(jié)果，建新礦井主采4-2號煤層，煤層埋深433.88～810.98 m，可采煤層厚度2.9～16 m，平均7.5 m，煤層硬度系數(shù)為1.03。該煤層層位穩(wěn)定，全區(qū)大部分可采，厚度大且由邊部向中心部位增厚的變化規(guī)律明顯，該煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層內(nèi)發(fā)育1～4層夾矸，單層夾矸厚度在0.2～1.8 m，其主要為泥質(zhì)砂巖，局部為細砂巖，該煤層煤類主要為弱粘煤，灰分、硫分穩(wěn)定，整體屬厚-特厚煤層。4-2號煤層直接頂板為泥巖，屬不穩(wěn)定性頂板，基本頂板為小街砂巖，巖性為中、細粒長石石英砂巖及長石砂巖，屬較穩(wěn)性頂板。煤層底板多以泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，細砂巖次之，為堅固性差-中等堅固巖石，屬穩(wěn)定性差至較穩(wěn)定底板。

通過蒲白黃陵新區(qū)礦井煤巷快速掘進情況進行現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)調(diào)研分析，了解掌握礦區(qū)礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件及巷道掘進現(xiàn)狀，蒲白礦業(yè)黃陵新區(qū)建莊礦業(yè)與建新煤化兩礦煤巷生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道掘進仍采用傳統(tǒng)的“綜掘機+單體錨桿機”掘進施工工藝，自動化程度低，難以實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，掘、支、運不平衡，掘進效率低，勞動強度大，安全風(fēng)險高。由于目前礦井所采用掘進工藝較為傳統(tǒng)，掘進速度無法滿足需求，單進水平僅為每月260 m，采掘矛盾嚴重，研究巷道快速掘進關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。

為保證巷道快速掘進效率有效提升，進行巷道快速掘進施工設(shè)備研究選擇，巷道掘進機械化裝備應(yīng)參照其他礦區(qū)實踐經(jīng)驗，并結(jié)合礦井地質(zhì)條件進行“因地制宜”的選擇，通常根據(jù)巖性、巷道斷面積和掘進長度選擇機械化作業(yè)線主要配套設(shè)備，使所選的機械裝備功能在施工過程中能夠充分發(fā)揮出來。

2 巷道掘錨一體化快速掘進關(guān)鍵技術(shù)

巷道掘進施工速度及質(zhì)量水平受設(shè)備配置、施工組織管理和掘進工藝水平3方面的因素影響，其中設(shè)備配置機械化程度的高低是最基本的影響因素，科學(xué)合理的施工組織管理是保證快速掘進的前提條件，掘進工藝水平是影響掘進速度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素[4]。

2.1 巷道快速掘進機械化設(shè)備選型

通過調(diào)研總結(jié)煤礦巷道的掘進施工工藝及現(xiàn)有支護設(shè)備的適應(yīng)性，研究掘進及支護設(shè)備在掘進過程中的基本技術(shù)要求，主要包括掘進設(shè)備、膠帶輸送機、支護設(shè)備等，區(qū)別于神東等礦區(qū)大型礦井需求研制，蒲白黃陵新區(qū)下轄大型礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件相對復(fù)雜[5]，面臨著主采煤層埋深大、瓦斯高、片幫、底鼓嚴重等圍巖災(zāi)害，在該復(fù)雜地質(zhì)條件下的快掘系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用難度較大，同時相對陜北神東礦區(qū)、榆北礦區(qū)等較簡單地質(zhì)條件下巷道長度可達數(shù)千米情況下長達百米以上的快掘系統(tǒng)而言，黃陵新區(qū)礦井巷道平均掘進長度僅為2 000 m，需結(jié)合黃陵礦區(qū)具體礦井地質(zhì)條件進行“因地制宜”選擇分析，根據(jù)巖性、巷道斷面積和掘進長度選擇機械化作業(yè)線主要配套設(shè)備，科學(xué)設(shè)計適合該地質(zhì)條件的快速掘進系統(tǒng)長度，使所選的機械裝備功能在施工過程中能夠充分發(fā)揮出來，良好地完成施工作業(yè)。

結(jié)合蒲白黃陵新區(qū)實際地質(zhì)生產(chǎn)條件，設(shè)計以國產(chǎn)掘錨一體機為龍頭、配套錨桿轉(zhuǎn)載機、帶式轉(zhuǎn)載機、邁步式自移機尾等掘錨一體化掘進系統(tǒng)，考慮到自身地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巷道斷面積和巷道掘進長度相對陜北神東礦區(qū)等較小[6-7]，故將快速掘進系統(tǒng)總長設(shè)計為67 m，可實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、分段支護、連續(xù)運輸，并綜合考慮通風(fēng)、供電、排水、輔助運輸環(huán)節(jié)，提高總體工效，將平均月進尺水平提高到500 m左右，皮帶搭接20 m，每天理論進尺20 m，如圖1、2所示，設(shè)備明細見表1。

表1 方案設(shè)備配套Table 1 Equipment matching of the scheme

圖1 方案設(shè)備平面布置Fig.1 Equipment layout of the scheme

圖2 方案設(shè)備配套Fig.2 Equipment matching of the scheme

系統(tǒng)總體技術(shù)參數(shù)及技術(shù)要求見表2。

表2 方案總體技術(shù)參數(shù)Table 2 Overall technical parameters of the scheme

整套設(shè)備具有聯(lián)動閉鎖、監(jiān)測保護功能，具備瓦斯超限斷電閉鎖和故障閉鎖功能。設(shè)備的最大不可拆解尺寸能夠適應(yīng)建莊礦業(yè)下井運輸尺寸。整套設(shè)備可左右換向使用。

2.2 巷道快速掘進系統(tǒng)配套方案設(shè)計

即使成功的掘錨機組也只能解決落、裝、支3個主要工序的機械化作業(yè)，并不能解決其他工序或環(huán)節(jié)上的問題。而整個煤巷掘進生產(chǎn)系統(tǒng)中只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)就無法正常運行。因此，為發(fā)展掘錨一體化系統(tǒng)，提高成巷速度，滿足高產(chǎn)高效綜采面的接續(xù)要求，提高煤巷綜掘機械化程度及掘進機開機率，首先需改進快速掘進系統(tǒng)配套方案設(shè)計[8]。

3 巷道快速掘進系統(tǒng)適應(yīng)性改造

在此基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)有的快速掘進施工設(shè)備，進行支護工藝與參數(shù)適用性設(shè)計、統(tǒng)籌兼顧的配套系統(tǒng)工程、減小地質(zhì)構(gòu)造因素的影響[9]，再加上科學(xué)的施工組織管理、先進的施工措施與方案等，可以實現(xiàn)快速掘進設(shè)備利用效率最大化，保證快掘技術(shù)水平有效提升。

3.1 巷道快速掘進設(shè)備適應(yīng)性改造

同時，綜合考慮巷道巖性、斷面尺寸和掘進長度，選擇合理的掘進設(shè)備，在地質(zhì)條件較為穩(wěn)定的前提下，煤礦巷道掘進推薦使用掘錨一體化機組作業(yè)線，實現(xiàn)巷道掘進截割和支護平行作業(yè)，提高煤礦巷道掘進效率[10]。當在實際礦井生產(chǎn)掘進中，應(yīng)根據(jù)具體礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合設(shè)備技術(shù)性能，進行掘進機自身系統(tǒng)改造，改造內(nèi)容主要包括以下幾方面。

3.1.1 掘錨機技術(shù)改造

掘錨一體機在掘進期間，鏟板升降是通過行走部的鏟板升降油缸作用于輸送滑槽實現(xiàn)，在向前行走時落煤對鏟板兩側(cè)有較大的壓迫力，可能會導(dǎo)致鏟板超過極限位置，致使油缸脫落，進而使設(shè)備受到損壞。為了更好地保護左右兩側(cè)可伸縮鏟板，在兩側(cè)伸縮鏟板與底板之間使用2條起重鏈條進行連接，兩端使用馬蹄環(huán)焊接。

當實施設(shè)備技術(shù)改進后，有效增加了掘錨一體機鏟板的承載能力，對鏟板的極限位置起到了機械保護的作用，大幅提升了耙裝能力，從而提高裝煤效率。具體設(shè)備技術(shù)改造效果如圖3(a)所示。

圖3 掘進設(shè)備適應(yīng)性改造Fig.3 Adaptability transformation of tunneling equipment

3.1.2 轉(zhuǎn)載機改進

錨桿轉(zhuǎn)載機的原有設(shè)計中，受料斗側(cè)板傾斜度影響不能有效將煤運出，可能會經(jīng)常導(dǎo)致受料斗堆煤，進而影響工作效率，針對此缺陷進行改造，如圖3(b)所示。

改進方案，采用10 mm的鋼板作為主要改造材料，在原有的基礎(chǔ)上再加工側(cè)護板，目的是改變受料斗側(cè)板傾角，使煤能夠順利流入刮板運輸機內(nèi)。護板采用螺栓固定，可以拆卸。

3.2 巷道快速掘進支護參數(shù)適用性優(yōu)化設(shè)計

通過理論計算，為最大發(fā)揮各裝備的支護能力，提高支護效率，對當前支護參數(shù)進行優(yōu)化。其中，錨桿和側(cè)幫間排距由650 mm×700 mm優(yōu)化為750 mm×800 mm，數(shù)量由9根優(yōu)化為8根，錨索間排距由1 400 mm優(yōu)化為1 600 mm。側(cè)幫錨桿長度由3 500 mm優(yōu)化為2 500 mm。如圖4所示。

圖4 建莊礦業(yè)巷道支護方案示意Fig.4 Roadway support scheme of Jianzhuang Coal Mine

支護方案設(shè)計如圖5所示，巷道采用分段支護，即臨時支護，優(yōu)先打6根頂部錨桿、2根頂錨索，上部每幫2根錨桿，進而補打其余錨桿、錨索，通過平行作業(yè)，提高巷道支護效率。

圖5 支護方案設(shè)計Fig.5 Support scheme design

3.3 巷道快速掘進施工工藝及勞動組織優(yōu)化設(shè)計

以建莊礦業(yè)為例，采用掘錨一體化快速掘進系統(tǒng)后，掘進工作面勞動組織采用“三·八”制作業(yè)，即2班(0點班、4點班)生產(chǎn)，1班(8點班)檢修的正規(guī)循環(huán)作業(yè)。勞動組織人員配置見表3。

表3 勞動組織人員配置Table 3 Staffing of labor organization

4 試驗結(jié)果及分析

礦井快速掘進系統(tǒng)主要配套設(shè)備如下：EJM340/4-2H掘錨一體機、MZHB6-1200/20錨桿轉(zhuǎn)載機、DZQ100/100/37型煤礦用帶式轉(zhuǎn)載機、DWZY1000/1200型帶式輸送機用自移機尾。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要設(shè)備可以獨立運行。以2 000 m巷道為例，進行指標的詳細分解計算，見表4。

表4 進尺計算Table 4 Footage calculation

準備巷道開掘利用系統(tǒng)配置的掘錨一體機，掘錨一體機自行走至掘進面開口處，耗時1 d，按照準備巷道最少需110 m計算，掘錨一體機單機日進尺10 m，需掘進11 d，巷道準備合計11 d。后配套設(shè)備下井、井下組裝及調(diào)試，根據(jù)黃陵快掘系統(tǒng)推算，約需5 d。正巷掘進2 000 m，系統(tǒng)正常工作月進500 m，合計需104 d。系統(tǒng)回撤，時間約需要4 d。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟性評價，該方案技術(shù)先進、合理，經(jīng)濟可行，具備月進尺500 m的能力，掘進速度比現(xiàn)有綜掘系統(tǒng)提高2倍。

5 結(jié)語

(1)結(jié)合黃陵新區(qū)礦井巖性、巷道斷面積和掘進長度等條件，設(shè)計以國產(chǎn)掘錨一體機為龍頭、配套錨桿轉(zhuǎn)載機、帶式轉(zhuǎn)載機、邁步式自移機尾等掘錨一體化快速掘進系統(tǒng)，科學(xué)設(shè)計適合該復(fù)雜地質(zhì)條件的快速掘進系統(tǒng)長度為67 m。

(2)采用新型掘錨一體化快速系統(tǒng)后，可實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、分段支護、連續(xù)運輸，從而提高巷道掘進總體工效，預(yù)計最終可將月進尺提高到500 m左右。

(3)結(jié)合具體礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件，通過研究優(yōu)化快速掘進設(shè)備的適應(yīng)性分析及改造應(yīng)用、巷道支護方案優(yōu)化設(shè)計、勞動組織適應(yīng)性分析及優(yōu)化等方面內(nèi)容，并綜合考慮通風(fēng)、供電、排水、輔助運輸環(huán)節(jié)進行配套系統(tǒng)設(shè)計，保證巷道快速掘進系統(tǒng)良好運行，形成適用于蒲白黃陵新區(qū)建莊、建新兩礦的快速掘進系統(tǒng)技術(shù)體系，推動礦井“四化”建設(shè)提速創(chuàng)效，實現(xiàn)煤礦作業(yè)“無人則安、少人則安”的智慧化礦山建設(shè)目標。