趙改革

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司煤礦運(yùn)營公司，陜西 渭南 715517)

0 引言

隨著煤礦采掘機(jī)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(dá)500萬t。其中，建新煤化年產(chǎn)量達(dá)400萬t，建莊礦業(yè)年產(chǎn)量達(dá)500萬t，工作面推進(jìn)效率明顯提高，而這也對(duì)回采巷道掘進(jìn)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(jìn)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(yùn)營公司目前主要承攬蒲白黃陵新區(qū)兩礦掘進(jìn)工程，礦井均仍延續(xù)傳統(tǒng)煤巷掘進(jìn)施工工藝，即“綜掘機(jī)+單體錨桿機(jī)”頻繁交叉換位、交替作業(yè)，采用EBZ-200型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，MYT1-125錨桿機(jī)和ZM-15D風(fēng)煤鉆進(jìn)行頂板及兩幫的支護(hù)作業(yè)。在一個(gè)正規(guī)作業(yè)循環(huán)中，巷道截割時(shí)間約占30%，支護(hù)時(shí)間占60%，其它時(shí)間占10%，其中支護(hù)時(shí)間占比達(dá)一半以上，支護(hù)效率偏低是制約巷道掘進(jìn)效率提升的主要影響因素。現(xiàn)階段懸臂掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套的掘進(jìn)工藝較為傳統(tǒng)[3]，巷道掘進(jìn)單進(jìn)進(jìn)尺260 m左右，掘進(jìn)效率相對(duì)偏低，掘進(jìn)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(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用具有十分重大的現(xiàn)實(shí)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(duì)生產(chǎn)礦井快速掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究，分別對(duì)蒲白黃陵新區(qū)建莊礦業(yè)、建新煤化目前回采試驗(yàn)階段的回采巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件進(jìn)行深入調(diào)研分析，結(jié)合巷道快速掘進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)要求，研發(fā)巷道掘錨一體化快速掘進(jìn)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(jìn)行技術(shù)適應(yīng)性改造設(shè)計(jì)等，研究結(jié)果對(duì)于深部復(fù)雜條件下快速掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備科學(xué)研究與方案設(shè)計(jì)具有較大參考價(jià)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(hào)煤層水文地質(zhì)條件簡單，煤層結(jié)構(gòu)簡單，4-2號(hào)煤層基本頂為“小街砂巖”，巖性為中、細(xì)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(hào)煤層平均巷道長度達(dá)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(hào)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(xì)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(hào)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(xì)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(xì)砂巖次之，為堅(jiān)固性差-中等堅(jiān)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(jìn)情況進(jìn)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(jìn)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(jìn)仍采用傳統(tǒng)的“綜掘機(jī)+單體錨桿機(jī)”掘進(jìn)施工工藝，自動(dòng)化程度低，難以實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，掘、支、運(yùn)不平衡，掘進(jìn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。由于目前礦井所采用掘進(jìn)工藝較為傳統(tǒng)，掘進(jìn)速度無法滿足需求，單進(jìn)水平僅為每月260 m，采掘矛盾嚴(yán)重，研究巷道快速掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。

為保證巷道快速掘進(jìn)效率有效提升，進(jìn)行巷道快速掘進(jìn)施工設(shè)備研究選擇，巷道掘進(jìn)機(jī)械化裝備應(yīng)參照其他礦區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合礦井地質(zhì)條件進(jìn)行“因地制宜”的選擇，通常根據(jù)巖性、巷道斷面積和掘進(jìn)長度選擇機(jī)械化作業(yè)線主要配套設(shè)備，使所選的機(jī)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(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

巷道掘進(jìn)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(jìn)工藝水平3方面的因素影響，其中設(shè)備配置機(jī)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(jìn)的前提條件，掘進(jìn)工藝水平是影響掘進(jìn)速度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素[4]。

2.1 巷道快速掘進(jìn)機(jī)械化設(shè)備選型

通過調(diào)研總結(jié)煤礦巷道的掘進(jìn)施工工藝及現(xiàn)有支護(hù)設(shè)備的適應(yīng)性，研究掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)備在掘進(jìn)過程中的基本技術(shù)要求，主要包括掘進(jìn)設(shè)備、膠帶輸送機(jī)、支護(hù)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(duì)復(fù)雜[5]，面臨著主采煤層埋深大、瓦斯高、片幫、底鼓嚴(yán)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(jì)應(yīng)用難度較大，同時(shí)相對(duì)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(dá)數(shù)千米情況下長達(dá)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(jìn)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(jìn)行“因地制宜”選擇分析，根據(jù)巖性、巷道斷面積和掘進(jìn)長度選擇機(jī)械化作業(yè)線主要配套設(shè)備，科學(xué)設(shè)計(jì)適合該地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)系統(tǒng)長度，使所選的機(jī)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(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)以國產(chǎn)掘錨一體機(jī)為龍頭、配套錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、邁步式自移機(jī)尾等掘錨一體化掘進(jìn)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(jìn)長度相對(duì)陜北神東礦區(qū)等較小[6-7]，故將快速掘進(jìn)系統(tǒng)總長設(shè)計(jì)為67 m，可實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、分段支護(hù)、連續(xù)運(yùn)輸，并綜合考慮通風(fēng)、供電、排水、輔助運(yùn)輸環(huán)節(jié)，提高總體工效，將平均月進(jìn)尺水平提高到500 m左右，皮帶搭接20 m，每天理論進(jìn)尺20 m，如圖1、2所示，設(shè)備明細(xì)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(dòng)閉鎖、監(jiān)測保護(hù)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(yùn)輸尺寸。整套設(shè)備可左右換向使用。

2.2 巷道快速掘進(jìn)系統(tǒng)配套方案設(shè)計(jì)

即使成功的掘錨機(jī)組也只能解決落、裝、支3個(gè)主要工序的機(jī)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(gè)煤巷掘進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)中只要有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)就無法正常運(yùn)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(jī)械化程度及掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率，首先需改進(jìn)快速掘進(jìn)系統(tǒng)配套方案設(shè)計(jì)[8]。

3 巷道快速掘進(jìn)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(jìn)施工設(shè)備，進(jìn)行支護(hù)工藝與參數(shù)適用性設(shè)計(jì)、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(jìn)的施工措施與方案等，可以實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)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(jìn)設(shè)備適應(yīng)性改造

同時(shí)，綜合考慮巷道巖性、斷面尺寸和掘進(jìn)長度，選擇合理的掘進(jìn)設(shè)備，在地質(zhì)條件較為穩(wěn)定的前提下，煤礦巷道掘進(jìn)推薦使用掘錨一體化機(jī)組作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)截割和支護(hù)平行作業(yè)，提高煤礦巷道掘進(jìn)效率[10]。當(dāng)在實(shí)際礦井生產(chǎn)掘進(jìn)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(jìn)行掘進(jìn)機(jī)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(jī)技術(shù)改造

掘錨一體機(jī)在掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)，在向前行走時(shí)落煤對(duì)鏟板兩側(cè)有較大的壓迫力，可能會(huì)導(dǎo)致鏟板超過極限位置，致使油缸脫落，進(jìn)而使設(shè)備受到損壞。為了更好地保護(hù)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(jìn)行連接，兩端使用馬蹄環(huán)焊接。

當(dāng)實(shí)施設(shè)備技術(shù)改進(jìn)后，有效增加了掘錨一體機(jī)鏟板的承載能力，對(duì)鏟板的極限位置起到了機(jī)械保護(hù)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(jìn)設(shè)備適應(yīng)性改造Fig.3 Adaptability transformation of tunneling equipment

3.1.2 轉(zhuǎn)載機(jī)改進(jìn)

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)的原有設(shè)計(jì)中，受料斗側(cè)板傾斜度影響不能有效將煤運(yùn)出，可能會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致受料斗堆煤，進(jìn)而影響工作效率，針對(duì)此缺陷進(jìn)行改造，如圖3(b)所示。

改進(jìn)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(hù)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(yùn)輸機(jī)內(nèi)。護(hù)板采用螺栓固定，可以拆卸。

3.2 巷道快速掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)適用性優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過理論計(jì)算，為最大發(fā)揮各裝備的支護(hù)能力，提高支護(hù)效率，對(duì)當(dāng)前支護(hù)參數(shù)進(jìn)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(hù)方案示意Fig.4 Roadway support scheme of Jianzhuang Coal Mine

支護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖5所示，巷道采用分段支護(hù)，即臨時(shí)支護(hù)，優(yōu)先打6根頂部錨桿、2根頂錨索，上部每幫2根錨桿，進(jìn)而補(bǔ)打其余錨桿、錨索，通過平行作業(yè)，提高巷道支護(hù)效率。

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

3.3 巷道快速掘進(jìn)施工工藝及勞動(dòng)組織優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

表3 勞動(dòng)組織人員配置Table 3 Staffing of labor organization

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

礦井快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要配套設(shè)備如下：EJM340/4-2H掘錨一體機(jī)、MZHB6-1200/20錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、DZQ100/100/37型煤礦用帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、DWZY1000/1200型帶式輸送機(jī)用自移機(jī)尾。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要設(shè)備可以獨(dú)立運(yùn)行。以2 000 m巷道為例，進(jìn)行指標(biāo)的詳細(xì)分解計(jì)算，見表4。

表4 進(jìn)尺計(jì)算Table 4 Footage calculation

準(zhǔn)備巷道開掘利用系統(tǒng)配置的掘錨一體機(jī)，掘錨一體機(jī)自行走至掘進(jìn)面開口處，耗時(shí)1 d，按照準(zhǔn)備巷道最少需110 m計(jì)算，掘錨一體機(jī)單機(jī)日進(jìn)尺10 m，需掘進(jìn)11 d，巷道準(zhǔn)備合計(jì)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(jìn)2 000 m，系統(tǒng)正常工作月進(jìn)500 m，合計(jì)需104 d。系統(tǒng)回撤，時(shí)間約需要4 d。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，該方案技術(shù)先進(jìn)、合理，經(jīng)濟(jì)可行，具備月進(jìn)尺500 m的能力，掘進(jìn)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(jìn)長度等條件，設(shè)計(jì)以國產(chǎn)掘錨一體機(jī)為龍頭、配套錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、邁步式自移機(jī)尾等掘錨一體化快速掘進(jìn)系統(tǒng)，科學(xué)設(shè)計(jì)適合該復(fù)雜地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、分段支護(hù)、連續(xù)運(yùn)輸，從而提高巷道掘進(jìn)總體工效，預(yù)計(jì)最終可將月進(jìn)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(jìn)設(shè)備的適應(yīng)性分析及改造應(yīng)用、巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、勞動(dòng)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(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證巷道快速掘進(jìn)系統(tǒng)良好運(yùn)行，形成適用于蒲白黃陵新區(qū)建莊、建新兩礦的快速掘進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)體系，推動(dòng)礦井“四化”建設(shè)提速創(chuàng)效，實(shí)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(biāo)。