礦井巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)研究

劉浩宇

（山西潞安環(huán)能股份有限公司漳村煤礦， 山西 長治 046032）

引言

中國的煤炭采掘過程中多采用井工開采的方式，這是由煤炭處于地底較深的位置這一性質(zhì)決定的。井工采掘過程中，多種形式的巷道涌現(xiàn)出來，根據(jù)巷道的位置，巷道可以大致分為巖巷和煤巷，處于煤層中的巷道稱為煤巷，處于巖層中的巷道稱之為巖巷。如若采掘巖巷，則不適宜選取持續(xù)的采掘機(jī)，這是因?yàn)槌掷m(xù)采掘難以完成巷道的高效采掘，且?guī)r石太硬，破巖需要的時(shí)間較長。通過使用持續(xù)性采煤機(jī)完成煤巷的迅速掘進(jìn)，由于煤礦煤體的強(qiáng)度有高低之分，煤礦巷道由煤巷和巖巷組成，煤巷占比較大，然而巖巷的存在也不容忽視，所以有效提升巖巷的快速挖掘有利于提高煤礦開采的效益。綜合機(jī)械化采掘方式是巖巷采掘較為常見的方式，此外，由于使用范圍的差異，鉆爆法也被視為巖巷采掘工作中普遍采用的方式，上述的綜合機(jī)械化采掘和鉆爆法區(qū)別在于各自適用的范圍不同，因?yàn)殂@爆法使用原理和技術(shù)難度與綜合機(jī)械化采掘相比相對(duì)簡單，所以本篇文章主要對(duì)綜合機(jī)械化采掘進(jìn)行分析研究，從而找到滿足巖巷迅速掘進(jìn)的辦法。

1 煤礦的巖巷掘進(jìn)技術(shù)探討

近年來，我國在煤礦開采、勘探、采掘等方面的發(fā)展速度已處于世界較高水平，如煤層采掘已實(shí)現(xiàn)機(jī)械完全化，煤礦斜井、立井的采掘能力已經(jīng)處于世界前列，并且和歐洲發(fā)達(dá)國家的采煤技術(shù)距離不斷縮短，逐漸引領(lǐng)高水平采掘技術(shù)的潮流和風(fēng)尚。然而煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)還停留在摸索階段，通常使用的巖巷挖掘技術(shù)為大眼爆破等速度較慢的方式。

1.1 液壓鉆車巖巷掘進(jìn)

對(duì)于巷道采掘而言，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的工藝過程是其實(shí)現(xiàn)高效采掘的首要任務(wù)。在機(jī)械化采掘過程中，不同種類的采掘機(jī)要求具有不同的作業(yè)條件。采掘作業(yè)需要裝巖機(jī)（側(cè)卸式）與液壓鉆車相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。為了避免巷道采掘速度跟不上的問題，應(yīng)將兩種采掘作業(yè)結(jié)合使用。裝巖機(jī)的功能是把碎毀的巖石顆粒運(yùn)送到工作面的外部，其在巷道采掘過程中扮演著關(guān)鍵作用。以效率高、能在狹小空間內(nèi)移動(dòng)自如及裝巖能力強(qiáng)為主要特性的ZCD60R型號(hào)裝巖機(jī)是目前較為常見的裝巖機(jī)。裝巖機(jī)通過裝運(yùn)煤礦巷道中全斷面的破碎巖石，完成在采掘施工所需清除整理的碎石任務(wù)。與此同時(shí)，將溜槽、托板裝置在裝巖機(jī)上，能夠順暢地把毀碎的石頭運(yùn)輸出去，以提升煤礦巷道的掘進(jìn)效益。

如下頁圖1，大多使用液壓鉆機(jī)型號(hào)為CMJ17的設(shè)備和裝巖機(jī)搭配作業(yè)。液壓鉆機(jī)型號(hào)為CMJ17的鉆機(jī)使用優(yōu)勢為機(jī)械設(shè)備本身機(jī)身緊湊且較小，設(shè)備操作靈活，能夠使得巷道的全斷面采掘工作更為快速、高效。因?yàn)镃MJ17 鉆機(jī)使用的是雙臂鑿巖，其鑿巖速度比較快，在通常作業(yè)情況下，采掘進(jìn)尺是0.8～2.0 m/min，因此該鉆機(jī)需要配備容量較大的裝巖機(jī)進(jìn)行搭配操作。通過液壓鉆機(jī)和側(cè)卸式裝巖機(jī)的搭配使用，較大程度上滿足了巖巷快速采掘的需求，且具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：第一，完成鑿巖自動(dòng)化。通過使用側(cè)卸式裝巖機(jī)，很好地預(yù)防了采掘施工中可能出現(xiàn)的鋼絲繩斷裂的情況，采掘的安全性、效益得到大幅度提升。第二，裝巖、掘進(jìn)速度快。實(shí)際結(jié)果證實(shí)，與鑿巖機(jī)（氣腿式）相比，液壓鉆車的鑿巖速度提升了三成；與耙斗式裝巖機(jī)相比，側(cè)卸式裝巖機(jī)的鑿巖速度顯著提升了兩成。第三，完成煤礦巷道全斷面的掘進(jìn)。全斷面掘進(jìn)技術(shù)可以使得煤礦巷道斷面一次成型率大大提高，并且斷面相對(duì)規(guī)則，為作業(yè)人員做后期支護(hù)帶來更多的便利，能夠成為一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)發(fā)展的煤礦巷道采掘方式。

液壓鉆車采掘方法雖然已取得了較大的發(fā)展和進(jìn)步，其有明顯的采掘優(yōu)勢，然而液壓鉆車在運(yùn)行當(dāng)中還有較多的問題，比如液壓鉆車采掘方法無法實(shí)現(xiàn)煤礦巷道臨時(shí)支撐的需求，造成掘進(jìn)作業(yè)后產(chǎn)生很大的空頂距離，導(dǎo)致作業(yè)巷道中有極大安全隱患。

1.2 氣腿式鑿巖機(jī)巖巷掘進(jìn)

液壓鉆車雖然具有諸多優(yōu)勢，但也存在一系列缺點(diǎn)，諸如難以適應(yīng)地質(zhì)條件，而且購買花費(fèi)較高等問題。圖2 展示了氣腿式鑿巖機(jī)，該設(shè)備與耙斗裝巖機(jī)共同工作，以完成巖巷采掘工作。氣腿式鑿巖機(jī)特點(diǎn)和長處是：第一，各工序間的平行作業(yè)能夠同時(shí)完成，且能夠顯著提升破巖的速度和效果，提升了作業(yè)效益；第二，采掘工藝相對(duì)成熟，有很好的地質(zhì)條件適應(yīng)能力，掘進(jìn)斷面的尺寸對(duì)其打眼、鑿巖不會(huì)造成太大影響。第三，破巖的效益總體比較高，掘進(jìn)量是30～40 m3/h，處于正常作業(yè)情況。氣腿式鑿巖機(jī)在井下工作過程中移動(dòng)起來也較為便捷，這是因?yàn)樵撛O(shè)備的體積較小。

圖1 所示為液壓鉆機(jī)型號(hào)CMJ17 實(shí)圖

圖2 氣腿式鑿巖機(jī)

鑿巖機(jī)（氣腿式）盡管具有明顯的優(yōu)勢，但也存在諸多缺點(diǎn)，其中包括機(jī)械運(yùn)作中機(jī)械自動(dòng)化程度較低、作業(yè)人員工作強(qiáng)度大、安全系數(shù)較低、沒有辦法滿足機(jī)械化裝巖要求。氣腿式鑿巖機(jī)的這些缺點(diǎn)制約著它掘進(jìn)的速度，從而造成它的普適性比較差，只能用在煤礦采掘中的較小斷面巖巷掘進(jìn)施工。

1.3 巖巷掘進(jìn)的綜掘法

和上面提到的液壓鉆車和氣腿式鑿巖機(jī)這兩種比較傳統(tǒng)的掘進(jìn)方式對(duì)比，巖巷掘進(jìn)中的綜掘法擁有更完善的機(jī)械裝備，并且作業(yè)安全性和工作效率更高。在使用綜掘法對(duì)巖巷進(jìn)行掘進(jìn)的時(shí)候，同步利用梭車把懸臂式掘進(jìn)機(jī)和帶式輸送機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的破巖裝載運(yùn)輸至采掘施工作業(yè)范圍之外。通過綜掘法提升掘進(jìn)工作的總體效率及施工安全，充分展示了它掘進(jìn)速度快、對(duì)巷道影響小、掘進(jìn)作業(yè)時(shí)震動(dòng)小、能夠臨時(shí)支護(hù)巷道、自動(dòng)化水平較高等技術(shù)優(yōu)勢。所以綜掘法能很好地運(yùn)用在斷面更大的巷道掘進(jìn)中，它也將成為未來巷道掘進(jìn)發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。

與此同時(shí)，綜掘法在操作中還存在一定的技術(shù)性問題，比如針對(duì)更大巷道掘進(jìn)斷面需求、機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸較為不便、巷道掘進(jìn)后的巖層較為堅(jiān)硬等問題。由于綜掘法的其他配備設(shè)施都比較貴，所以對(duì)技術(shù)人員的機(jī)械操作熟練程度有較高的要求。綜合以上情況，綜掘法更應(yīng)該投入到巖層比較堅(jiān)硬、巷道斷面大的煤礦礦井采掘作業(yè)中。

2 巖巷掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢

機(jī)械化采掘方法常常被用于巖巷采掘工作中。大體上看巖巷采掘大致劃為三種：第一，使用全液壓鉆機(jī)完成高效煤礦巖巷掘進(jìn)工作。一般地質(zhì)結(jié)構(gòu)正常的情況，巷道掘進(jìn)的每月進(jìn)尺可達(dá)到幾千米以上。第二，綜掘法是大斷面采掘常用的方法，已逐漸成為巖巷高效采掘技術(shù)的潮流和趨勢，具有一系列優(yōu)勢，譬如安全性能高、采掘效率高等特征。第三，氣腿式鑿巖機(jī)掘進(jìn)技術(shù)使用在中小型礦井中，煤礦巷道月進(jìn)尺能夠達(dá)到幾十至上百米。不同的采掘方法具有各自的優(yōu)勢和特點(diǎn)，且在采掘過程中被同時(shí)運(yùn)用。巖巷采掘鉆爆法在施工過程中具有一定的優(yōu)勢，尤其在石塊碎毀時(shí)的優(yōu)點(diǎn)尤為凸現(xiàn)出來，但也存在諸多安全隱患，比如爆破過程較為復(fù)雜，不確定性較強(qiáng)，施工過程不夠安全等問題。鉆爆法能夠使得各種不同尺寸的斷面巖巷得到順利采掘，如德國使用的鉆爆法對(duì)35 m2斷面巖巷進(jìn)行采掘，有很強(qiáng)的地質(zhì)條件適應(yīng)能力。和綜掘法進(jìn)行比較，鉆爆法的掘進(jìn)作業(yè)比較容易、成本低，且所需要的設(shè)備較少。鉆爆法采掘、機(jī)械式采掘是巖巷采掘的兩種重要方式，其中鉆爆法通常被用于一些獨(dú)特巖巷采掘過程中；機(jī)械式采掘法被廣泛運(yùn)用到實(shí)際作業(yè)過程中，應(yīng)在日后大力普及和推廣。綜上，鉆爆方法的改進(jìn)對(duì)于拓展其使用空間和范圍具有重要意義。