煤巷快速掘進(jìn)施工工藝及措施優(yōu)化研究

鐘曉陽

摘 要：為了解決巷道掘進(jìn)受瓦斯賦存影響較大，巷道無法保證安全快速掘進(jìn)的問題，本文結(jié)合作業(yè)區(qū)的工程地質(zhì)背景，分析了影響其掘進(jìn)作業(yè)的原因，并針對性地提出了采取工作面長短鉆孔相結(jié)合的工作面瓦斯治理方式?，F(xiàn)場實(shí)踐表明：優(yōu)化后的工藝技術(shù)有效減少了工作面瓦斯涌出量，保證了巷道安全快速掘進(jìn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)技術(shù);瓦斯賦存;瓦斯治理;瓦斯涌出量;長短鉆孔

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0056-03

Abstract： In order to solve the problem that roadway excavation is greatly affected by gas storage and roadway can not ensure safe and rapid excavation， combined with the engineering geological background of the operation area， this paper analyzes the reasons affecting its excavation operation， and puts forward the gas treatment method of combining long and short boreholes in the working face. The field practice shows that the optimized technology effectively reduces the gas emission of the working face， ensures the safe and rapid excavation of the roadway， and has high economic and social value.

Keywords： tunneling technology;gas storage;gas control;gas emission;long and short boreholes

近年來，隨著我國煤礦企業(yè)高產(chǎn)高效建設(shè)步伐的加快，井下巷道內(nèi)快速高效掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)快速發(fā)展。1994—2004年，原國有重點(diǎn)煤礦綜掘程度從10.64%提高到23.77%[1]。國外先進(jìn)的煤巷快速掘進(jìn)設(shè)備與工藝在國內(nèi)基本都得到應(yīng)用，煤巷掘進(jìn)機(jī)械化水平、掘進(jìn)速度與工效不斷提高，礦井產(chǎn)量、效益及安全狀況得到了明顯改善。但是，相對于綜采技術(shù)來說，我國井下巷道內(nèi)快速高效掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)還較為落后。很多煤礦企業(yè)綜掘作業(yè)的速度不能滿足綜采作業(yè)的需求，給煤礦企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)帶來了很大壓力。為了保證生產(chǎn)，有些煤礦企業(yè)不得不擴(kuò)大掘進(jìn)隊伍，增加掘進(jìn)作業(yè)的速度。但是，由于沒有選擇科學(xué)有效的技術(shù)，生產(chǎn)作業(yè)過程中出現(xiàn)了很多安全和質(zhì)量問題。因此，發(fā)展井下巷道內(nèi)快速高效掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)，提高井下巷道內(nèi)掘進(jìn)速度與工效迫在眉睫。

1 常用的掘進(jìn)技術(shù)

目前，我國煤礦企業(yè)經(jīng)常采用的掘進(jìn)技術(shù)主要是煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)、連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車配套技術(shù)和掘錨機(jī)組一體化掘進(jìn)技術(shù)。其中，煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)是目前煤礦企業(yè)中使用最廣泛的技術(shù)。

1.1 煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)

煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)又被稱為懸臂式掘進(jìn)與單體錨桿鉆機(jī)配套技術(shù)。該技術(shù)所配套的設(shè)備以懸臂掘進(jìn)機(jī)為核心，主要由懸臂式掘進(jìn)機(jī)、皮帶輸送機(jī)和通風(fēng)設(shè)施等設(shè)備設(shè)施組成。煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)最大的特點(diǎn)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計重心較低，作業(yè)過程中具有較高的穩(wěn)定性，同時能適應(yīng)不同的地理環(huán)境。目前，大部分掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)都已采用PLC智能控制系統(tǒng)，有效提高了故障診斷能力和系統(tǒng)的整體可靠性。懸臂式掘進(jìn)機(jī)及其工作狀態(tài)如圖1所示。

1.2 連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車配套技術(shù)

連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車配套技術(shù)主要依靠采煤機(jī)完成掘進(jìn)作業(yè)，依靠錨桿鉆車完成支護(hù)作業(yè)。該技術(shù)的原理為：采煤機(jī)和錨桿鉆車交替出現(xiàn)在巷道中，在采煤機(jī)作業(yè)完成后，轉(zhuǎn)向下一個巷道之前，錨桿鉆車出現(xiàn)，進(jìn)入該巷道開始實(shí)施支護(hù)作業(yè)。但是，由于巷道具有復(fù)雜性，大部分煤礦企業(yè)在應(yīng)用該技術(shù)時需要反復(fù)調(diào)動采煤機(jī)，導(dǎo)致投入成本較高，系統(tǒng)維護(hù)困難[2]。

1.3 掘錨機(jī)組一體化掘進(jìn)技術(shù)

掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)是將在懸臂掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的掘錨機(jī)和以連續(xù)采煤機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展的掘錨機(jī)組結(jié)合成一體，達(dá)到采掘、支護(hù)作業(yè)在一臺設(shè)備的支撐下完成的目的。也就是說，在開采中實(shí)行巷道掘進(jìn)的同時進(jìn)行支護(hù)，以提高掘進(jìn)速度。但是，該技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對于其他系統(tǒng)來說更加復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備組裝困難，并且在落煤時容易引發(fā)震動，對頂板的穩(wěn)定性提出了較高的要求。

2 煤巷快速掘進(jìn)影響因素分析

2.1 環(huán)境因素

由于綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備對地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，因此煤層頂板情況、水文條件、地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯情況都會影響掘進(jìn)設(shè)備的性能，導(dǎo)致掘進(jìn)速度變慢。良好的地質(zhì)條件可以有效提高掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)率，有利于掘進(jìn)設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。反之，復(fù)雜惡劣的地質(zhì)條件會增加設(shè)備運(yùn)行的難度，不僅不利于安全作業(yè)，而且增大了支護(hù)難度，進(jìn)而影響了整個掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)度。例如：井下巖層若為硬煤層，會造成設(shè)備損耗;巷道中瓦斯或粉塵含量過高，需要在井下施工作業(yè)面排放鉆孔探測地質(zhì)構(gòu)造，對施工造成一定的難度。

2.2 設(shè)備因素

井下掘進(jìn)作業(yè)主要依靠掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備完成，因此掘進(jìn)作業(yè)中設(shè)備性能的好壞會在一定程度上影響掘進(jìn)作業(yè)的速度[3]。例如，掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率低、對地質(zhì)條件的適應(yīng)性低、故障率高等情況都會影響掘進(jìn)速度。因此，在選擇掘進(jìn)作業(yè)所使用的機(jī)械設(shè)備時要注意其性能的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 人為因素

目前，掘進(jìn)作業(yè)中所使用的大部分設(shè)備仍然是人為操縱的，意味著操作者的技術(shù)水平?jīng)Q定了掘進(jìn)作業(yè)的速度和質(zhì)量。水平較低的技術(shù)人員在操作設(shè)備時隨意性較大，如果出現(xiàn)走空刀等情況，就會嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率。相反，水平較高的技術(shù)人員則會加快巷道掘進(jìn)速度。另外，企業(yè)職工如果在上崗前沒有經(jīng)過系統(tǒng)專業(yè)的培訓(xùn)，對設(shè)備的操作流程不熟悉，在設(shè)備出現(xiàn)故障時往往無法及時排除故障，也會影響作業(yè)進(jìn)度，造成工程滯后。

2.4 管理的缺陷

組織管理也是影響掘進(jìn)作業(yè)的重要因素。目前，多數(shù)煤礦企業(yè)偏向于技術(shù)層面的突破，忽視了管理的重要性，導(dǎo)致施工作業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)責(zé)任不清、獎罰不明等情況，極大地降低了井下工人的積極性，間接影響了施工的速度和質(zhì)量。

3 快速掘進(jìn)施工工藝優(yōu)化

3.1 工程概況

河南云煤一礦22206運(yùn)輸順槽設(shè)計長度為1 503 m，巷道沿二1煤層頂板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度為0.3～6.8 m，平均厚度為3.8 m，煤厚不均。實(shí)測原始瓦斯含量在3.29～10.05 m3/t，瓦斯壓強(qiáng)為0.1～0.9 MPa，工作面掘進(jìn)時絕對瓦斯涌出量為0.1～0.5 m3/min[4]。

3.2 存在的問題

第一，河南云煤一礦22206運(yùn)輸順槽瓦斯賦存高低呈區(qū)段瓦斯分布規(guī)律，沿煤層走向呈條帶式高低相間分布，受煤厚、地質(zhì)構(gòu)造等影響較大。

第二，厚煤區(qū)及地質(zhì)構(gòu)造帶附近瓦斯賦存較高，巷道掘進(jìn)受瓦斯賦存影響較大。

第三，采用的快速掘進(jìn)技術(shù)存在一定的短板。巷道掘進(jìn)施工時，支護(hù)作業(yè)需要耗費(fèi)大量時間，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)速度。

第四，井下職工在上崗前專業(yè)培訓(xùn)力度不夠，不熟悉設(shè)備的操作流程，忽視設(shè)備保養(yǎng)維修，一定程度上影響了施工進(jìn)度，導(dǎo)致工程滯后。

3.3 優(yōu)化措施

為保證巷道安全掘進(jìn)，采取工作面長短鉆孔相結(jié)合的瓦斯治理方式。同時，22206運(yùn)輸順槽采用長鉆孔和短鉆孔相結(jié)合的加強(qiáng)措施，對掘進(jìn)工作面前方煤層進(jìn)行瓦斯抽排，可以有效減少工作面瓦斯涌出量，防止工作面揭露水力沖孔導(dǎo)致瓦斯異常，減少工作面前方應(yīng)力。主要技術(shù)內(nèi)容如下：第一，順層鉆孔控制巷道前方80 m，巷道輪廓線外上幫10 m、下幫5 m共設(shè)計11個鉆孔，所有鉆孔均封孔聯(lián)抽（見圖2）。第二，鉆孔采用合成樹脂+黃泥進(jìn)行封孔，全程下篩管，鉆孔封孔深度不小于3 m，采用Φ50 mm封孔管+Φ50 mm篩管進(jìn)行封孔。第三，沿中線方向鉆孔，施工至40 m和60 m位置時分別取煤樣測定瓦斯含量。根據(jù)中間鉆孔施工情況，調(diào)整鉆孔施工參數(shù)，確定鉆孔施工順序。第四，由于巷道的地質(zhì)條件和水文環(huán)境會對掘進(jìn)設(shè)備造成影響，因此在開采前要預(yù)先做好勘探工作，選擇適用的勘探方法，并選擇條件較好的煤層，以盡量避免巷道地質(zhì)條件帶來的影響。第五，加強(qiáng)井下巷道內(nèi)作業(yè)現(xiàn)場的管理、調(diào)度。對井下作業(yè)人員進(jìn)行合理培訓(xùn)，培訓(xùn)應(yīng)包括井下設(shè)備的操作使用以及安全技術(shù)培訓(xùn)，加強(qiáng)現(xiàn)場的生產(chǎn)管理[5]。同時，成立綜合施工作業(yè)隊伍，將各個作業(yè)線的人員統(tǒng)一到一個隊伍里進(jìn)行管理，做到統(tǒng)一指揮，責(zé)任到人，各個部門之間相互配合。一旦發(fā)生井下作業(yè)事故或設(shè)備故障，能及時行動，縮短反應(yīng)時間，減少事故影響范圍，保障井下開采的順利進(jìn)行。

3.4 實(shí)際應(yīng)用效果

22206運(yùn)輸順槽煤層薄厚不一，不同區(qū)段瓦斯賦存高低不同，且工作面揭露水力沖孔孔洞較多。為了減少工作面瓦斯涌出量，保證巷道正?？焖倬蜻M(jìn)，采取在工作面施工長短順層鉆孔的措施。實(shí)踐證明，該技術(shù)保證了巷道的快速掘進(jìn)，為礦井實(shí)現(xiàn)采掘的正常接替奠定了基礎(chǔ)。長短鉆孔相結(jié)合提高了鉆孔施工效率，一次施工控制巷道前方80 m，每次允許掘進(jìn)60 m，相對短循環(huán)淺孔抽放鉆孔，大大縮短了打鉆施工時間。同時，該技術(shù)的應(yīng)用有效減少了工作面的瓦斯涌出量和水力沖孔瓦斯的集聚[6]。

綜上所述，掘進(jìn)工作面長短鉆孔相結(jié)合的加強(qiáng)措施，有效解決了高瓦斯區(qū)域工作面瓦斯治理問題，保證了巷道的快速掘進(jìn)。

4 結(jié)語

為了解決巷道掘進(jìn)受瓦斯賦存影響較大，巷道無法保證安全快速掘進(jìn)的問題，本文結(jié)合我國煤礦巷道快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析影響其掘進(jìn)作業(yè)速度的4個因素，即環(huán)境因素、設(shè)備因素、人員因素和管理因素?；谏鲜龇治?，根據(jù)作業(yè)區(qū)的實(shí)際情況，針對性地提出采取工作面長短鉆孔相結(jié)合的工作面瓦斯治理方式?，F(xiàn)場實(shí)踐證明：掘進(jìn)工作面長短鉆孔相結(jié)合的加強(qiáng)措施，有效解決了高瓦斯區(qū)域工作面瓦斯治理問題，保證了巷道的快速掘進(jìn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋合聚，郭明生，高吾斌.庚組半煤巖巷道快速掘進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2010（6）：51-53.

[2]張永軍.淺談煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014（30）：2477.

[3]陸占金.基于堅硬煤層條件的順層鉆孔增透技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2020（1）：40-43.

[4]聶百勝，胡守濤，劉明舉，等.順層長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯防突技術(shù)在潘三礦的應(yīng)用[J].煤礦安全，2012（12）：120-122.

[5]侯少杰.煤礦瓦斯治理過程控制理論及應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010：1-189.

[6]閆磊.騰暉煤礦201工作面鉆孔瓦斯抽采參數(shù)數(shù)值模擬及應(yīng)用[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012：1-72.

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