范各莊煤礦快速掘進影響因素及對策

王曉輝

(開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

隨著煤礦現(xiàn)代化裝備的應(yīng)用，礦井單產(chǎn)效率逐年提升，對快速掘進成巷的要求越來越高，傳統(tǒng)多面多人組織生產(chǎn)的方式已經(jīng)不能適應(yīng)高產(chǎn)高效的新要求，并且在生產(chǎn)過程中的機械化程度、現(xiàn)階段使用的掘進工藝等相對于一些發(fā)達國家來說仍較為落后，嚴重影響了煤礦的掘進效率，其次采掘銜接緊張的問題日益突出，已成為行業(yè)亟待解決的技術(shù)管理難題，嚴重制約了礦井技術(shù)經(jīng)濟效益的提升[1-3]。目前快速掘進技術(shù)表現(xiàn)為機械化、自動化、無人化、智能化等四化趨勢，相關(guān)單位探索了掘支平行、大斷面一次成型、多工序交叉等快速掘進方案[4-6]。掘進設(shè)備配套了錨掘一體掘進機、鑿巖鉆孔一體機、機載/自移超前支架等裝備，掘錨一體化掘進方式是當(dāng)下煤礦巷道快速掘進作業(yè)中的常用掘進方法，其應(yīng)用頻率僅次于綜合機械化掘進，該種掘進方法將錨桿支護技術(shù)作為支撐，促進掘進與支護技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用過程[7-10]。自移超前支架支撐強度大，能夠有效對巷道頂板進行支護，支架下方空間大等優(yōu)點，共同推動了快速掘進技術(shù)的發(fā)展[11-13]。為此，針對開灤范各莊煤礦快速掘進技術(shù)的實施，需要根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)工序等開展技術(shù)適用性分析研究，從而進一步提出生產(chǎn)線快速掘進實施方案，將為類似工程提供范例經(jīng)驗。

1 范各莊煤礦掘進施工概況

開灤范各莊礦業(yè)公司設(shè)計能力為400萬t/a，2013年核定生產(chǎn)能力480萬t/年。井田范圍內(nèi)共有7個可采煤層，煤層平均總厚度13.84 m，地面標高北部約+22～+34 m，屬典型近距離煤層群開采礦井。礦井采用立井多水平集中運輸大巷集中上山分區(qū)石門開拓方式，共劃分為3個開采水平，現(xiàn)一水平(-310 m)已經(jīng)回采完畢，二水平(-490 m)接近收尾，目前三水平(-620 m)為主要生產(chǎn)水平，礦井延深工程已經(jīng)全部完工。煤層頂板巖性主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和中細砂巖構(gòu)成。底板主要以砂巖和粉砂巖為主，巖性堅硬。巷道掘進工序主要是破煤、支護、運輸及其他輔助工序，其中支護是最關(guān)鍵也是占用時間最長的一個環(huán)節(jié)。范各莊煤礦目前掘進破煤采用懸臂式掘進機，型號包括S-100，EBJ-120TP，EBZ160TY，EBJ-160SH等。支護主要采用錨網(wǎng)支護和金屬拱形支架支護2種形式，巷道斷面16 m2。原煤運輸采用DSJ-800/40/2×40皮帶以及SGW-40T溜子，物料運輸系統(tǒng)采用絞車運輸。與其他礦井相比，掘進設(shè)備一體化、自動化的程度低，機械化水平較低，人力消耗較高，快速掘進效率亟待提升。

2 影響掘進的主要因素

2.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

礦井可采煤層頂板以泥巖、粉砂巖和細砂巖為主，局部構(gòu)造發(fā)育區(qū)域有火成巖侵入，煤層底板以泥巖、粉砂巖為主。巷道設(shè)計斷面高度3.0～3.5 m，除了7號、12號煤層厚度可達3 m外，其他煤層在掘進過程中都需要挑頂破板施工，時間占比較高。全煤巷割煤時間為15～20 min，如挑頂破底每個循環(huán)割煤時間需要增加一倍甚至更多的時間。目前主要生產(chǎn)采區(qū)集中在二水平南五采區(qū)和三水平南二采區(qū)及三下采區(qū)，位于畢各莊向斜構(gòu)造影響區(qū)，斷層發(fā)育較多，在斷層走向和巷道夾角較小或斷層落差較大情況下，煤巷追煤的半煤巖和巖巷施工距離長，增加了掘巷成本，也影響了掘進破煤的效率以及兩幫支護時間。

2.2 掘進裝備落后

掘進工作面使用了大功率懸臂掘進機，但是支護工序仍然依靠單臺風(fēng)動錨桿鉆機進行支護作業(yè)，在特殊位置如幫錨桿、幫錨索支護上僅能使用手持式幫錨桿鉆機進行。破煤設(shè)備和支護設(shè)備存在較為突出的銜接困難，單臺錨桿鉆機完成一個錨桿的打眼、安裝工序需要8～10 min，使用2臺錨桿機施工，打完一排頂錨桿需要40～50 min，打設(shè)兩幫支護需要約25 min，而一個循環(huán)破煤時間僅僅占用20～30 min。破煤與支護耗時比超過3，掘進機的開機率大幅度降低，嚴重影響了掘進效率的提升。

2.3 支護方式單一

范各莊煤礦在5、7、9、12號煤層采用錨網(wǎng)支護，在8、12.5號煤層采用金屬拱型支架支護方式。錨網(wǎng)巷道中，對地應(yīng)力和采動動壓規(guī)律掌握不清楚，錨網(wǎng)支護形式比較單一，錨桿間排距、錨索的布置沒有及時調(diào)整，多采用工程類比法確定支護參數(shù)，造成相應(yīng)巷道支護和應(yīng)力級別、服務(wù)年限不相匹配。金屬拱型支架支護中，棚距為0.4～0.8 m，每循環(huán)進度較低，工序繁雜，人力投入量大，機械化水平低。支護方式、技術(shù)方案與現(xiàn)場施工條件不匹配進一步制約了掘進單進效率的提高。

2.4 掘進斷面增大

由于回采設(shè)備尺寸逐步增大，掘進巷道斷面需要滿足設(shè)備使用要求，各掘進巷道斷面面積從最初的9～10.4 m2逐漸達到18～22 m2，這導(dǎo)致了破煤、支護、運輸?shù)裙ば蛴脮r的成倍增加。金屬拱形支架搭設(shè)從最初的15～20 min完成增加到30～40 min完成，每班循環(huán)數(shù)量降低，掘進效率提升與回采效率提升脫節(jié)，加劇了采掘銜接緊張的情況。

2.5 輔助時間及人員操作技能

輔助時間占比較高，占用較多進尺時間。掘進工作面除了正常進尺作業(yè)以外，還需要其他的輔助工序，如運料、延接管路、儲運皮帶、倒接電纜等，平均占用1/3的工時，不能全天達到進尺作業(yè)。人員操作技能滯后于現(xiàn)代裝備水平。煤礦作業(yè)人員即使有準入要求的限制，但是隨著各類現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展速度更快，兩者之間的差距逐步拉開。人員對設(shè)備的操作熟練程度存在著較大的差距，尤其是對目前超前的設(shè)備裝備認識不到位，造成高科技的設(shè)備裝備不能全部發(fā)揮機械化、智能化的生產(chǎn)能力，降低了設(shè)備使用效率。

3 改進方案

3.1 全面掌握工程地質(zhì)條件

地質(zhì)條件對巷道的快速掘進有著至關(guān)重要的作用，掘進速度與該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造有著直接的關(guān)系。在完整的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域可以實現(xiàn)巷道的快速掘進，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地段需要放緩掘進的速度，同時地質(zhì)條件超前探查有利于掌握所掘進巷道遇到的斷層、破碎帶等基本資料，為設(shè)計部門提供完備的資料，制定適當(dāng)?shù)闹ёo方案，加強礦壓的監(jiān)測和礦壓規(guī)律的探索，有利于最終形成完善的支護體系。地質(zhì)探查還會超前指導(dǎo)現(xiàn)場施工，避免各類廢尺廢巷的出現(xiàn)，提高現(xiàn)場應(yīng)變能力，對提高掘進效率起到保障作用。

3.2 改進掘進裝備配套設(shè)施

目前，掘錨護一體機在部分條件優(yōu)良的礦井得到了應(yīng)用，明顯提高了掘進效率。將錨桿臺車和臨時支護設(shè)備與掘進機整合也是一些科研院所的研究方向，利用這一設(shè)備將掘進破煤和支護2個工序同時進行，各設(shè)備連續(xù)運轉(zhuǎn)，能夠顯著提高掘進效率。部分掘錨護一體機工作面月進尺達到628 m的水平，為提高掘進效率、尋求高效的配套裝備提供了較好的借鑒作用。在施工條件合適的工作面引進掘錨護一體機和錨桿臺車相配套應(yīng)用，將破煤和臨時支護以及永久支護做到平行作業(yè)，能夠保證掘進機較高的開機率，提高巷道掘進單進水平。

3.3 優(yōu)化支護工藝和參數(shù)

針對礦井不同水平、不同地質(zhì)條件進行地應(yīng)力分析，對回采巷道動壓影響規(guī)律進行探索，逐步形成與工作面實際情況相匹配的支護參數(shù)，煤礦地應(yīng)力的測試和分析在采面超前動壓影響中取得了較豐富的成果，廣泛指導(dǎo)了超前支護的選擇和頂?shù)装逑锏赖奈恢脙?yōu)化，為采掘動壓災(zāi)害防治提供了重要手段，同時也為巷道的快速掘進提供了重要的參數(shù)支撐。根據(jù)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，適當(dāng)增加或者減小錨桿間排距離，每個掘進循環(huán)進尺量適當(dāng)放開，以提高掘進機的開機率，增加有效進尺時間。

3.4 提高掘進工作人員綜合素質(zhì)

按照煤礦“企業(yè)機械化換人、自動化減人”的總體要求，堅持巷道施工設(shè)計優(yōu)化，有條件的巷道優(yōu)先裝備大功率掘進配套機械，同時應(yīng)該定期的加強員工培訓(xùn)，提升員工操作技能水平和意識，減少操作設(shè)備在工作過程中出現(xiàn)的不必要的故障，減少維修的次數(shù)，提升先進裝備的應(yīng)用效率，逐步向機械化、智能化發(fā)展。

4 結(jié)語

礦井自動化、智能化以及集約化的發(fā)展，快速掘進效率低下、采掘銜接緊張等問題亟待解決。針對范各莊礦業(yè)公司影響掘進效率提升地質(zhì)條件復(fù)雜、掘進裝備落后、支護方式單一、掘進斷面增大等各項制約因素，從全面掌握工程地質(zhì)條件、改進掘進裝備配套設(shè)施、優(yōu)化支護工藝和人員培訓(xùn)等方面采取相應(yīng)的對策，在范各莊煤礦的應(yīng)用中實現(xiàn)了18 m2以上大斷面巖石巷道的快速成巷掘進，解決了掘進快速施工的瓶頸問題。值得注意的是，在引進掘-支-運配套裝備，提高掘進工作面平行作業(yè)效率的同時，應(yīng)持續(xù)深入推進技術(shù)創(chuàng)新，切實做到煤礦企業(yè)掘進現(xiàn)場安全高效生產(chǎn)。