煤巷智能快速成巷技術(shù)研究

王 劍，王 路，廉 瑞

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來，隨著采煤裝備機(jī)械化程度及技術(shù)水平的顯著提高，煤礦采煤效率大幅提升，特別是年產(chǎn)千萬噸級(jí)煤礦的快速建成，其開采技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。但與之匹配的巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備卻大幅落后于生產(chǎn)需求，造成采掘接續(xù)失調(diào)，掘進(jìn)跟不上采煤的步伐，嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)。為此，許多學(xué)者從快速掘進(jìn)的影響因子出發(fā)，進(jìn)行了大量的研究[1-5]，為煤礦智能化快速掘進(jìn)技術(shù)的推進(jìn)作出了貢獻(xiàn)，同時(shí)也為全國(guó)各礦井快速掘進(jìn)的推動(dòng)提供了理論依據(jù)。張曉云[6]簡(jiǎn)析了掘錨機(jī)概念，對(duì)掘錨一體化技術(shù)進(jìn)行了分析，與傳統(tǒng)的掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了比較，重點(diǎn)分析了煤礦快速掘進(jìn)中掘錨機(jī)的應(yīng)用技術(shù)要求。劉吉升[7]提出應(yīng)當(dāng)通過引進(jìn)新型煤巷快速掘進(jìn)裝備，改善掘進(jìn)工藝，并且加強(qiáng)對(duì)工作人員的培訓(xùn)等對(duì)策，提高煤巷快速掘進(jìn)工作效率，以求促進(jìn)煤炭行業(yè)的發(fā)展。楊海榮[8]分別從施工設(shè)計(jì)、施工工藝和機(jī)械設(shè)備配套3個(gè)方面闡述平朔集團(tuán)井工三礦千萬噸礦井在復(fù)雜構(gòu)造條件下積累的科學(xué)合理的快速掘進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為平朔礦區(qū)實(shí)現(xiàn)高進(jìn)尺、高質(zhì)量、低成本的巷道快速掘進(jìn)技術(shù)提供指導(dǎo)。

榆北礦區(qū)作為新建千萬噸級(jí)煤礦，其開采技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。但是，對(duì)于巷道掘進(jìn)，特別是大斷面巷道，由于掘進(jìn)裝備與工藝融合度低，巷道掘進(jìn)速度已無法滿足礦井安全高效開采需要，導(dǎo)致生產(chǎn)接替緊張。為了破解這一難題，以曹家灘礦井122108地質(zhì)條件為背景，在大斷面煤巷大間排距高性能錨桿支護(hù)優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上，通過對(duì)裝備的改造，人員素質(zhì)的提升，管理模式的精化細(xì)化，從而真正達(dá)到“人機(jī)融合”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)巷道單進(jìn)水平的跨越式發(fā)展。

1 工程概況

122108主運(yùn)順槽區(qū)域煤層厚度為8.47～12.03 m，煤層傾角小于1°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定。工作面2 500 m處發(fā)現(xiàn)正斷層H=0～4 m∠72°，無巖漿巖、陷落柱及大的褶皺構(gòu)造，但煤層沿走向或傾向方向有小型起伏，對(duì)巷道施工影響不大。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

122108主運(yùn)順槽工作面為矩形，巷道斷面尺寸6.5 m×4.45 m。原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 122108主運(yùn)順槽巷道斷面布置Fig.1 Section layout of No.122108 main haulage roadway

2.1 存在問題

在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)以下2條支護(hù)問題。

支護(hù)時(shí)間不協(xié)調(diào)：巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)7根φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼，施工由3名錨桿鉆機(jī)司機(jī)完成，錨桿數(shù)量分配為2+3+2，造成支護(hù)時(shí)間不協(xié)調(diào)且長(zhǎng)于截割時(shí)間。

幫錨桿支護(hù)作業(yè)困難：幫錨桿支護(hù)工程量大，且受限于裝備結(jié)構(gòu)，無法完成第5根幫錨支護(hù)作業(yè)。

2.2 支護(hù)優(yōu)化

為解決上述問題，提高支護(hù)效率，進(jìn)行了如下支護(hù)優(yōu)化。

20世紀(jì)50年代《巴黎公約》所確立的反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法基本規(guī)則，構(gòu)成該領(lǐng)域國(guó)際協(xié)調(diào)的重要基礎(chǔ)，至今仍是各國(guó)間的重要共識(shí)，也仍對(duì)各國(guó)的立法和司法具有重要的指導(dǎo)作用?！栋屠钘l約》之后，反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法國(guó)際協(xié)調(diào)最重要的發(fā)展，就是將消費(fèi)者權(quán)益保護(hù)列為反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法的價(jià)值目標(biāo)和不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)行為的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)?！稓W盟不正當(dāng)商業(yè)行為指令》和TPP就是反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法條約制度在消費(fèi)者權(quán)益保護(hù)維度上發(fā)展的體現(xiàn)。

建立錨桿支護(hù)體系：結(jié)合錨桿承載性能強(qiáng)化、破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化、巷道圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)化理論，建立以高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力和高系統(tǒng)剛度錨桿支護(hù)體系。

優(yōu)化幫部和回采側(cè)錨支護(hù)：根據(jù)圍巖松動(dòng)圈和圍巖力學(xué)特性，對(duì)幫部和回采側(cè)錨支護(hù)材料規(guī)格、間排距進(jìn)行優(yōu)化。

確定錨固長(zhǎng)度：借助錨桿合理錨固長(zhǎng)度和臨界錨固長(zhǎng)度的剪應(yīng)力計(jì)算方程式推出回采幫、煤柱幫、頂板錨固長(zhǎng)度及錨固劑用量。

確定巷道頂板支護(hù)參數(shù)：通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬頂板在不同預(yù)緊力、不同錨桿長(zhǎng)度、不同間排距情況下的應(yīng)力變化，確定巷道頂板錨桿長(zhǎng)度、間排距、錨桿初始預(yù)緊力。優(yōu)化后的巷道支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面Fig.2 Cross section of roadway support

3 快掘裝備選型與優(yōu)化

3.1 設(shè)備選型

為保證所選裝備與巷道地質(zhì)條件、支護(hù)方案相匹配，經(jīng)過對(duì)各掘進(jìn)組合裝備的分析與研究，確定122108主運(yùn)順槽采用掘錨一體機(jī)+礦用液壓錨桿鉆車+礦用橋式轉(zhuǎn)載機(jī)組集成快速掘進(jìn)裝備，即EJM270/4-2掘錨一體機(jī)+CMM5-20液壓錨桿鉆車+DZQ100/130/55橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，如圖3所示。

圖3 快掘設(shè)備示意Fig.3 Schematic diagram of rapid excavation equipment

該套裝備在122108主運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面使用期間實(shí)現(xiàn)了一次成巷、掘錨同步、噴霧降塵、數(shù)字導(dǎo)向、數(shù)字截割、故障自診、遠(yuǎn)程操控、聯(lián)鎖控制、數(shù)據(jù)交互、超前鉆探。

3.2 快速掘進(jìn)高效輔助保障

快速掘進(jìn)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，其高效發(fā)展不僅取決于快速掘錨裝備的生產(chǎn)能力，還受后配套輔助保障系統(tǒng)的制約?？焖倬蝈^裝備智能高效運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，對(duì)后配套系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，選取與其能力相適應(yīng)的快速掘進(jìn)輔助保障設(shè)備。

大功率、長(zhǎng)距離、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)：考慮到122108主運(yùn)順槽最大瞬時(shí)出煤量800 t/h的實(shí)際情況，選擇DSJ/100/120/2×200皮帶，后將一部帶、二部帶用華寧保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。并在轉(zhuǎn)載點(diǎn)、落煤點(diǎn)安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程操控。

輔助成巷裝備：引入WPZ-37/600煤礦用巷道修復(fù)機(jī)進(jìn)行修巷作業(yè)?？梢詽M足挖掘、側(cè)掏、翻轉(zhuǎn)、破巖、裝車、起吊等各項(xiàng)動(dòng)作要求，實(shí)現(xiàn)挖掘毛水溝、臥底、破巖、清理浮煤、清理皮帶機(jī)底部、平整巷道及小型配件吊裝等多種功能。

4 掘支并行作業(yè)工藝

4.1 作業(yè)流程

依據(jù)各工序的時(shí)間和空間關(guān)系，實(shí)測(cè)巷道支護(hù)及掘進(jìn)過程中各工藝、全要素、全時(shí)段的用時(shí)，歸納分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行流程分析和關(guān)鍵流程判別，找出并突破制約煤巷快速掘進(jìn)速度的瓶頸流程，實(shí)現(xiàn)關(guān)卡前移，保障掘支并行。

幫頂錨桿支護(hù)：具體流程為確定鉆孔位置、調(diào)整鉆機(jī)、搭接鉆桿、鉆孔施工、退鉆機(jī)、拆卸鉆桿、安裝錨固劑和錨桿、攪拌錨固劑、等待凝膠、施加預(yù)緊力、退鉆機(jī)。實(shí)測(cè)確定搭接、拆卸鉆桿及等待錨固劑凝膠為錨桿支護(hù)的瓶頸流程，需對(duì)其針對(duì)性優(yōu)化。選擇長(zhǎng)短鉆桿結(jié)合(短鉆桿1.2 m，長(zhǎng)鉆桿2.6 m)，減少搭接及拆卸鉆桿的時(shí)間，錨固劑選用快速型，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一根錨桿所需時(shí)間減少至4～5 min。

頂板錨索支護(hù)：具體流程為確定鉆孔位置、調(diào)整鉆機(jī)、搭接鉆桿、鉆孔施工、退鉆機(jī)、拆卸鉆桿、安裝錨固劑和錨索、攪拌錨固劑、退鉆機(jī)、等待凝膠、張拉錨索施加預(yù)緊力。實(shí)測(cè)確定搭接、拆卸鉆桿及等待錨固劑凝膠為錨索支護(hù)的瓶頸流程，需對(duì)其針對(duì)性優(yōu)化。選擇長(zhǎng)鉆桿以減少鉆桿總數(shù)量及搭接次數(shù)，錨固劑選用快速型，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一根錨索所需時(shí)間減少至10～12 min。

掘錨機(jī)掘進(jìn)：掘錨機(jī)作業(yè)時(shí)按照給定的巷道偏中線調(diào)整至合適位置。截割滾筒升起開始進(jìn)刀，根據(jù)滾筒尺寸及截割功率，確定單次截割循環(huán)步距為1.0 m，滾筒由上向下割煤。割至底部后進(jìn)行拉底，拉底完成后，掘錨機(jī)前行1 m，進(jìn)入下一循環(huán)截割，單次截割循環(huán)時(shí)間為8～10 min。

工藝配合及流程：支護(hù)方案確定錨桿的排距為1.0 m，錨索的排距為3.0 m，截割步距為1.0 m，即每截割一次需要進(jìn)行一次頂幫錨桿支護(hù)，且滿足支護(hù)兩根錨桿所需的時(shí)間；截割3次進(jìn)行一次錨索支護(hù)，且錨桿臺(tái)車還與掘錨機(jī)靈活搭接，有足夠的時(shí)間余量進(jìn)行錨索支護(hù)，而錨索支護(hù)人員在無支護(hù)時(shí)間內(nèi)可完成風(fēng)筒的延伸等輔助作業(yè)，保證各工種工序之間銜接緊湊。支護(hù)與掘進(jìn)同步、并行作業(yè)，互不干擾，達(dá)到掘支效率最高。循環(huán)作業(yè)如圖4所示。

圖4 循環(huán)作業(yè)Fig.4 Cyclic operation

4.2 工序優(yōu)化

以“以掘定支、掘支平行”為目標(biāo)，對(duì)頂板與幫部錨桿安設(shè)的時(shí)間、空間進(jìn)行優(yōu)化布置，確定合理的一次支護(hù)、滯后支護(hù)距離等參數(shù)，優(yōu)化工序、工時(shí)之間的配合關(guān)系，使得各工序交叉平行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)掘支協(xié)調(diào)順暢、掘錨同步。

在掘進(jìn)過程中，將頂部6根錨桿進(jìn)行編號(hào)，以巷道掘進(jìn)方向從左至右編號(hào)依次為①、②、③、④、⑤、⑥。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及掘錨成套裝備布置，確定掘錨機(jī)上兩側(cè)各施工2根頂錨桿，即①、②、⑤、⑥頂錨桿，以防空頂作業(yè)，同時(shí)兩側(cè)施工2根上部幫錨桿，即1#、2#幫錨桿(從上到下)，錨桿鉆車通過鉆機(jī)滑移架調(diào)整位置補(bǔ)打剩余③、④頂錨桿，液壓錨桿鉆車補(bǔ)打3#、4#幫錨桿，兩者平行作業(yè)，具體巷道支護(hù)斷面圖和斷面支護(hù)施工圖如圖5、6所示。

圖5 巷道支護(hù)斷面Fig.5 Cross section of roadway support

圖6 斷面支護(hù)施工Fig.6 Construction technology of roadway support

頂錨索間排距2.4 m×3 m，每排2根頂錨索。頂錨索長(zhǎng)度為6.25 m，由錨桿鉆車同步支護(hù)完成。待割煤與支護(hù)均完成后，行走機(jī)構(gòu)帶著機(jī)體及錨桿機(jī)向前移動(dòng)，完成一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)。各工序間協(xié)同組織，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為10～12 min，生產(chǎn)效率為5～6 m/h，單班有效截割時(shí)間按照6 h計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺30～36 m。實(shí)現(xiàn)了“掘、支、運(yùn)平行作業(yè)”。

5 快速掘進(jìn)系統(tǒng)精優(yōu)作業(yè)法

隨著單進(jìn)水平的逐步提升，檢修班組的工作強(qiáng)度也隨之增加，針對(duì)前期檢修工作延點(diǎn)、誤工而導(dǎo)致的生產(chǎn)班組開機(jī)影響進(jìn)行工序優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。

5.1 皮帶檢修班作業(yè)法

采用“前合后分”工作模式，檢修班組人員待生產(chǎn)停機(jī)后，由檢修班長(zhǎng)統(tǒng)一組織人員拉移機(jī)尾，機(jī)尾拉移完成后，皮帶停電閉鎖，各班組人員回歸崗位開始作業(yè)。避免工序交叉，延時(shí)誤工。

5.2 電鉗工作業(yè)法

將電纜加裝流程拆分為“裝→卸”+“接”模式，即提前一天將高壓電纜下運(yùn)至工作面，利用交接班期間集中人員將電纜挪卸至設(shè)備電纜倉(cāng)，第2天再由早班電鉗工完成高壓接頭工作。此方法的運(yùn)用將安裝電纜的工作量合理分解，避免加裝電纜造成機(jī)電誤時(shí)；在設(shè)備電纜倉(cāng)尾部加設(shè)等高作業(yè)平臺(tái)及防護(hù)裝置。拉移機(jī)尾過程中，指派2人借助機(jī)尾前移對(duì)高壓電纜進(jìn)行即走即掛，提高了電纜鋪設(shè)的工效，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5.3 下料工作業(yè)法

對(duì)下料工實(shí)施“定量、定時(shí)、定點(diǎn)”的精細(xì)化管理辦法。

定量：區(qū)隊(duì)材料下運(yùn)執(zhí)行下料單派發(fā)制度。值班人員根據(jù)前一天生產(chǎn)情況核算井下材料需求，將材料計(jì)劃單派發(fā)至庫(kù)房下料班組，下料工根據(jù)物料需求組織裝料，裝料完成后下運(yùn)至指定地點(diǎn)，由現(xiàn)場(chǎng)跟班隊(duì)干簽收。

定時(shí)：結(jié)合井下生產(chǎn)工序，將下料時(shí)間段劃分為3個(gè)時(shí)段：7：00—9：00下運(yùn)管路；9：00—11：00下運(yùn)皮帶延長(zhǎng)料；11：00—13：00下運(yùn)支護(hù)材料。避免車輛在巷道內(nèi)擁堵，提高了車輛循環(huán)使用率。

定點(diǎn)：井下材料接收點(diǎn)實(shí)行掛牌管理。錨固劑、托盤等支護(hù)短材接收點(diǎn)設(shè)置在錨桿鉆機(jī)機(jī)身后；錨桿、網(wǎng)片等支護(hù)長(zhǎng)材接收點(diǎn)設(shè)置在橋式轉(zhuǎn)載機(jī)中部；皮帶延長(zhǎng)料接收點(diǎn)設(shè)在橋式轉(zhuǎn)載機(jī)落煤點(diǎn)附近。下料司機(jī)根據(jù)牌板位置定點(diǎn)卸料，材料擺放合理、有序，利于材料取用方便。接收點(diǎn)牌板則由驗(yàn)收員每天挪移到相應(yīng)位置。

6 應(yīng)用效果分析

煤巷快速成巷技術(shù)在曹家灘礦井122108主運(yùn)順槽投運(yùn)以來，實(shí)現(xiàn)了掘、支、運(yùn)同步進(jìn)行，有效解決了傳統(tǒng)成巷的短板。7月份完成進(jìn)尺1 292 m，打破了此前礦井單月最高掘進(jìn)進(jìn)尺928 m的記錄，創(chuàng)下曹家灘礦井建礦以來單面單月掘進(jìn)進(jìn)尺最高紀(jì)錄；進(jìn)入10月更是創(chuàng)下了單班41 m，圓班82 m的掘進(jìn)記錄，當(dāng)月掘進(jìn)進(jìn)尺2 020 m，再次刷新陜煤集團(tuán)單月最快掘進(jìn)記錄。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，相比傳統(tǒng)的綜掘機(jī)、連采機(jī)，快速掘錨成套裝備掘進(jìn)效率分別提高61%和48%，單巷掘進(jìn)效率大幅提升。

7 結(jié)論

曹家灘122108主運(yùn)順槽成套快速掘進(jìn)技術(shù)提出了與快掘技術(shù)相匹配的減量提效圍巖強(qiáng)化控制關(guān)鍵技術(shù)，改進(jìn)了煤巷智能快速掘進(jìn)成套裝備，優(yōu)化了“以掘定支、掘支平行”施工工藝及勞動(dòng)組織，最終解決了制約煤巷掘進(jìn)速度的瓶頸流程，形成我國(guó)大斷面煤巷快速智能掘進(jìn)技術(shù)體系，為千萬噸級(jí)特大型礦井大斷面煤巷快速掘進(jìn)提供技術(shù)保障。