煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)優(yōu)化

李宏弢

（國家能源投資集團(tuán)神東煤炭分公司大柳塔煤礦,陜西 神木 719315）

煤炭資源在社會生產(chǎn)生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,新經(jīng)濟形勢下,我國對于煤炭資源的需求量不斷增大,煤巷掘進(jìn)成為采礦行業(yè)關(guān)注的重點問題。目前,我國煤巷、半煤巷的掘進(jìn)量超過15000km/a,在煤巷掘進(jìn)中,人們對于煤巷掘進(jìn)速度和支護(hù)質(zhì)量提出了較高要求,基于煤巷掘進(jìn)安全、高效、高產(chǎn)的需要,高效快速掘進(jìn)技術(shù)在煤巷掘進(jìn)中獲得了廣泛應(yīng)用。在煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)下,煤巷掘進(jìn)生產(chǎn)構(gòu)建了掘、支、運為一體的工作模式,這對于整個采礦行業(yè)的發(fā)展具有積極作用。

1 煤巷快速掘進(jìn)的影響因素

1.1 巷道環(huán)境條件

巷道環(huán)境條件是影響煤巷掘進(jìn)效率與安全的基本因素,該因素對于巷道掘進(jìn)施工的影響最直接、最強烈。當(dāng)巷道巖層硬度較高時,巷道掘進(jìn)的難度會隨之增加,并且在整個掘進(jìn)施工中,掘進(jìn)設(shè)備的磨損狀較為明顯,嚴(yán)重地影響了煤巷掘進(jìn)的效率與質(zhì)量。值得注意的是,巷道施工中還存在一定的滲水和瓦斯聚集問題,這些實際性的巷道環(huán)境直接影響著煤巷掘進(jìn)的安全性。

1.2 掘進(jìn)設(shè)備性能

巷道掘進(jìn)施工中,掘進(jìn)設(shè)備性能會對巷道掘進(jìn)的速度造成影響,這是影響巷道掘進(jìn)的主要因素。相比于發(fā)達(dá)國家,我國采礦企業(yè)巷道掘進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用不夠先進(jìn),以重型懸臂式掘進(jìn)機為例,我國在該設(shè)備的研發(fā)上缺乏獨立技術(shù),嚴(yán)重地制約了掘進(jìn)設(shè)備的更新升級,并且對巷道掘進(jìn)的效率產(chǎn)生了較大影響。

1.3 掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)

采礦本身屬于高危行業(yè)范疇,支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用直接關(guān)系著采礦過程的安全性。新時期,我國對于行業(yè)安全生產(chǎn)提出了較高要求,在煤巷掘進(jìn)中,有必要科學(xué)合理地開展煤巷的掘進(jìn)施工。然而結(jié)合當(dāng)前煤巷掘進(jìn)現(xiàn)狀來看,我國采礦企業(yè)在煤巷掘進(jìn)中的支護(hù)技術(shù)應(yīng)用具有一定的滯后性,這使得巷道支護(hù)速度遠(yuǎn)落后于煤巷的掘進(jìn)速度[1]。另外,要注意的是,很多煤巷掘進(jìn)時的支護(hù)均是根據(jù)經(jīng)驗來完成的,導(dǎo)致支護(hù)的錨桿存在打眼兒跑偏等問題,影響了整體的支護(hù)質(zhì)量。

2 煤巷掘進(jìn)技術(shù)要點

2.1 光面爆破

光面爆破技術(shù)在當(dāng)前煤礦工程中應(yīng)用廣泛,在爆破前,施工人員會正確選擇爆破參數(shù),然后進(jìn)行分區(qū)分段微差爆破,實現(xiàn)了爆破后輪廓線的有效控制,確保了斷面輪廓的憑證性和規(guī)則程度。相比于普通的爆破技術(shù),光面爆破技術(shù)的應(yīng)用具有爆破后成型規(guī)整、巖體穩(wěn)定性突出的優(yōu)勢。一方面,采用光面爆破技術(shù)后,新形成的壁面上能較為清晰地看到半邊孔壁痕跡,這大大減少了巷道掘進(jìn)的超挖量和排渣量,降低了裝載運輸系統(tǒng)的實際負(fù)擔(dān),此外其還有效地節(jié)省了噴射原材料。另一方面,利用光面爆破通常不產(chǎn)生或者很少產(chǎn)生爆震裂隙,這對于提升圍巖的承載能力具有積極作用。從整體施工效果來看,光面爆破施工效率高、安全效益好,掘進(jìn)成本低,是煤礦巷道安全掘進(jìn)的有效措施。

2.2 支護(hù)技術(shù)

巷道掘進(jìn)過程中,實時支撐圍巖是極為重要的一項工作,其在防控巖石破碎冒落問題中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)階段,錨桿支護(hù)在煤礦巷道掘進(jìn)施工中的應(yīng)用較為常見,該工法將錨桿錨入圍堰,通過改變圍巖力學(xué)狀態(tài)的方式,使得掘進(jìn)的航道周圍形成了較為穩(wěn)定的巖石帶,滿足了巷道掘進(jìn)支護(hù)需要。相比于架棚支護(hù)方式,錨桿支護(hù)方法的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：其一,錨桿支護(hù)有效地降低了巷道通風(fēng)阻力,具有較強的適應(yīng)能力。其二,錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性較高,完成支護(hù)后,巷道很少會發(fā)生變形問題,故而工作的安全性較高。要注意的是,結(jié)合巷道掘進(jìn)支護(hù)現(xiàn)狀可知,錨桿支護(hù)仍然存在一定的技術(shù)缺陷,如錨桿支護(hù)不能預(yù)防圍堰風(fēng)化問題,同時錨桿之間的縫隙有發(fā)生巖石剝落的風(fēng)險?；谶@些風(fēng)險因素,在巷道支護(hù)中,還需要實現(xiàn)錨桿支護(hù)與其他支護(hù)方式的聯(lián)合使用[2]。

2.3 運輸技術(shù)

為適應(yīng)快速掘進(jìn)的工作環(huán)境,在煤巷掘進(jìn)中,還應(yīng)重視運輸技術(shù)的有效使用?，F(xiàn)階段,煤礦巷道運輸多采用絞車、電瓶車以及耙裝機運輸方式。結(jié)合巷道運輸實際情況可知,這些方式在運輸效率、安全上存在一定缺陷,有必要進(jìn)行煤巷運輸方式的優(yōu)化。新時期,利用膠帶輸送機輸送煤炭資源成為巷道運輸技術(shù)發(fā)展的全新方向,該技術(shù)具有自動化集中控制的優(yōu)勢,其能在方便操作的同時,降低輸送的成本。另外,膠帶輸送機輸送的使用有效地降低了人工勞動強度,確保了煤礦掘進(jìn)和煤炭運輸?shù)陌踩浴?/p>

3 煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)優(yōu)化措施

煤礦掘進(jìn)施工中,巷道的環(huán)境較為復(fù)雜,控制難度較大,因此,在推廣煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)中,應(yīng)從掘進(jìn)設(shè)備、支護(hù)、運輸?shù)葘用孢M(jìn)行優(yōu)化。

3.1 高效快速掘進(jìn)措施優(yōu)化

（1）掘進(jìn)機工作參數(shù)優(yōu)化。選擇綜合性能較突出的掘進(jìn)機,能切實提升煤巷的掘進(jìn)速度,保證煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益。在掘進(jìn)機選擇中,不僅要考慮礦井的地質(zhì)條件,而且需對施工環(huán)境進(jìn)行有效分析,以此來確定掘進(jìn)的種類。譬如,在新時期可選擇全斷面巖石掘進(jìn)機進(jìn)行施工（見圖1）。當(dāng)煤巷巷道圍巖的硬度超過80MPa時,若采用傳統(tǒng)的懸臂式掘進(jìn)機,其施工掘進(jìn)基本上是“0”進(jìn)尺,而且截齒消耗嚴(yán)重,但當(dāng)采用全斷面巖石掘進(jìn)機時,能實現(xiàn)200MPa巖石地層的快速掘進(jìn),掘進(jìn)速度較快[3]。在巷道掘進(jìn)施工中,還需要結(jié)合具體的工況,對掘進(jìn)機的開機率、掘進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行控制,以此來延長掘進(jìn)機的有效工作時間。

圖1 全斷面巖石掘進(jìn)機

值得注意的是,設(shè)備的匹配程度對于煤巷掘進(jìn)效率、安全性具有較強的制約作用。在掘進(jìn)機工作參數(shù)優(yōu)化中,還需要提升設(shè)備之間的匹配程度。現(xiàn)階段,煤巷掘進(jìn)中需要匹配的設(shè)備系統(tǒng)較多,應(yīng)從掘進(jìn)、支護(hù)和運輸三個環(huán)節(jié)開展設(shè)備的匹配度管理,實現(xiàn)煤礦巷道作業(yè)的最優(yōu)控制。

（2）掘進(jìn)設(shè)備自動控制。采用自動化控制技術(shù),能簡化煤巷掘進(jìn)操作工序,實現(xiàn)巷道掘進(jìn)設(shè)備工作參數(shù)的實時監(jiān)控?，F(xiàn)階段,隨著全斷面巖石掘進(jìn)機等設(shè)備應(yīng)用的深入,煤巷掘進(jìn)中的設(shè)備自動化程度不斷提升。在實際控制中,應(yīng)該結(jié)合采礦掘進(jìn)的需要,對設(shè)備功率、推進(jìn)方向、推進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整控制,這樣能有效提升掘進(jìn)機的工作效率。另外,掘進(jìn)機的自動控制還應(yīng)表現(xiàn)在故障診斷層面,即采用自動控制技術(shù)后,應(yīng)能實現(xiàn)掘進(jìn)機具體故障的發(fā)現(xiàn)、報警,這樣才能為技術(shù)人員的修復(fù)提供有效支撐,確保設(shè)備安全與掘進(jìn)施工設(shè)備操作人員安全。

（3）掘錨一體化技術(shù)。落煤、裝煤以及支護(hù)是煤巷掘進(jìn)工序的三個主要環(huán)節(jié)[4]。當(dāng)使用不同設(shè)備時,煤礦掘進(jìn)設(shè)備的開機率會受到影響,同時受設(shè)備配套性因素的影響,設(shè)備的掘進(jìn)速度會受到較大阻礙?；诖?應(yīng)重視掘錨一體化技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用。在掘錨一體化下,應(yīng)通過引入掘錨機來解決工序之間的影響作用,提升掘進(jìn)的速度。值得注意的是,現(xiàn)階段我國在掘錨機生產(chǎn)中尚顯不足,但國外引入的掘錨機與國內(nèi)礦井生產(chǎn)設(shè)計存在一定差異,故而還需進(jìn)行掘錨一體化技術(shù)的深入研究,尤其是要重視掘錨機的研究和生產(chǎn)。

（4）綜合掘進(jìn)機械化技術(shù)優(yōu)化。煤礦企業(yè)生產(chǎn)實踐表明：在煤巷掘進(jìn)施工中,聯(lián)合使用連續(xù)綜合掘進(jìn)機械化與錨桿支護(hù)技術(shù),能有效地提升煤礦掘進(jìn)的效率,達(dá)到高效快速掘進(jìn)的目的。故而在新時期煤礦巷道生產(chǎn)中,一旦條件允許,則應(yīng)重視該技術(shù)方案的推廣和應(yīng)用。

3.2 巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用直接關(guān)系著煤礦巷道掘進(jìn)的安全性,并且對于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益具有較大影響。新時期,在煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)優(yōu)化中,有必要進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化。

（1）巷道支護(hù)形式應(yīng)用問題。架棚支護(hù)、預(yù)留煤柱、架設(shè)可縮性支架是巷道掘進(jìn)支護(hù)的三種基本類型。煤礦架棚支護(hù)中,前探梁發(fā)揮著超前臨時支護(hù)的作用,就前探梁本身而言,多選擇工字鋼、π梁等材料,這些材料通過圓鋼掛鉤進(jìn)行固定。在實際固定中,每根前探梁多設(shè)置3處懸掛點,這些懸掛點會通過木楔楔實吃勁。要注意的是,這種臨時性的支護(hù)方式對頂板支撐力很小,而且支護(hù)操作的難度較大,整體安全性較差,故而需進(jìn)行臨時支護(hù)措施優(yōu)化。

作為較為傳統(tǒng)的支護(hù)方式,預(yù)留煤柱雖然能為航道提供一定的支撐力,且整體施工方便,但該方法的技術(shù)成本較高。當(dāng)掘進(jìn)中造成煤柱損失后,會給巷道的維護(hù)工作造成較大影響。并且要注意的是,煤柱的支撐荷載會傳輸?shù)较锏赖撞?一旦對相鄰的巷道產(chǎn)生影響,就會直接威脅巷道掘進(jìn)施工的安全性。

可縮性支架包含多重形式,機載臨時支架支護(hù)是煤礦巷道可縮性支架支護(hù)的基本形式,其支護(hù)的速度優(yōu)于前探梁,但該技術(shù)的應(yīng)用存在以下缺陷：一是掘進(jìn)機截割和移動時不能使用支護(hù)機對頂板進(jìn)行支護(hù),導(dǎo)致在掘進(jìn)中存在空頂問題；二是在機載支架護(hù)頂時會占據(jù)較大的空間,這影響了施工的便捷性；三是該技術(shù)防護(hù)的范圍同樣有限,容易出現(xiàn)片幫坍落風(fēng)險,安全風(fēng)險較大。

自移式邁步支架支護(hù)是基于液壓系統(tǒng)自動移動的一種支護(hù)方式,雖然實現(xiàn)了支護(hù)施工的機械化、自動化處理,但該支護(hù)系統(tǒng)的支架過于復(fù)雜,尤其是較大的體型使得其在巷道中的適用性不強,整體移動困難,影響了巷道的掘進(jìn)效率[5]。

（2）巷道掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)優(yōu)化的方向措施。新時期,要實現(xiàn)巷道支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化,就必須了解巷道支護(hù)效果的影響因素。從施工過程來看,地質(zhì)條件、施工工藝、人為因素是影響巷道支護(hù)效果的重要因素。結(jié)合這些因素,在巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化中,應(yīng)注重以下技術(shù)要點：其一,開展巷道支護(hù),應(yīng)做好礦井的勘察工作,確定巖層的性質(zhì)、成分、結(jié)構(gòu)等情況,以此來為巷道支護(hù)措施的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件,提升支撐結(jié)構(gòu)的承載性能。其二,錨桿支護(hù)是當(dāng)前較為常用的支護(hù)技術(shù),該支護(hù)技術(shù)能在改善航道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)巷道掘進(jìn)效率、安全與采煤效益的高度統(tǒng)一。在錨桿技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化中,首先,應(yīng)做好錨桿構(gòu)件的系統(tǒng)管理,即應(yīng)在扭矩螺母的作用下,實現(xiàn)錨桿托板與巷道表面的持續(xù)擠壓,以此來改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。其次,當(dāng)巷道存在軟巖時,應(yīng)了解軟巖的性質(zhì),針對性進(jìn)行支護(hù)技術(shù)改進(jìn)。第三,應(yīng)了解巷道的相關(guān)參數(shù),結(jié)合巷道參數(shù)變化情況改進(jìn)支護(hù)方法,保證支護(hù)效果。第四,當(dāng)巷道區(qū)域存在破碎巖體時,應(yīng)采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù),確保巷道安全性。第五,整體支護(hù)中,應(yīng)實現(xiàn)支護(hù)體與圍巖的有效結(jié)合,高效解決巷道薄弱環(huán)節(jié),處理巷道位移和變形問題等。

3.3 巷道運輸技術(shù)優(yōu)化

帶式輸送機的應(yīng)用能有效地提升煤礦開采的運輸效率,這不僅包含了輸送帶、輥組、滾筒組等單元,而且涉及驅(qū)動裝置、逆止器、拉緊裝置、導(dǎo)料槽等構(gòu)件。采用帶式輸送機輸送采集煤炭資源,具有較高的可靠性,而且煤炭運輸?shù)南妮^低、運輸效率較高。新時期,在巷道運輸系統(tǒng)優(yōu)化中,應(yīng)深化帶式輸送機的推廣和應(yīng)用。在該技術(shù)推廣中,還應(yīng)結(jié)合實際的工作環(huán)境,對輸送線路、輸送帶、物料性質(zhì)和輸送量等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。如在輸送線路和輸送帶設(shè)計中,不僅應(yīng)考慮輸送線路傾角、最大長度、提升高度等因素,而且需考慮曲線段尺寸、連接尺寸等參數(shù)。而在物料的性質(zhì)和輸送量設(shè)計中,應(yīng)從松散密度、安息角、物料的粒度等多個層面開展設(shè)計,這樣才能有效地提升巷道運輸效果,滿足實際生產(chǎn)需要。

4 煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

某巷道井下開采存在失衡問題,選擇井下A作業(yè)面進(jìn)行研究,該作業(yè)面處于煤層厚度介于4.0~4.5m,上部覆巖厚度介于90~130m之間。煤巷掘進(jìn)中,由于直接頂粉砂巖層,巖層厚度為3~15m,這使得快速施工中存在頂部脫落問題,對于巷道掘進(jìn)的效率和安全造成較大影響。

為解決這些問題,本煤礦在使用全斷面巖石掘進(jìn)機進(jìn)行快速掘進(jìn)的同時,重點開展煤巷的支護(hù)優(yōu)化。在優(yōu)化中,結(jié)合煤巷性質(zhì)、成分、結(jié)構(gòu)情況,進(jìn)行單排錨桿數(shù)驗算和錨桿長度計算,最終采用錨桿+連續(xù)梁的方式進(jìn)行支護(hù),使以往錨桿數(shù)量多、密度高的問題得到了有效改善,而且極大地縮短了支護(hù)作業(yè)耗時,保證了巷道支護(hù)效果。最后對膠帶機進(jìn)行改良,解決運輸系統(tǒng)停機問題。這些處理措施有效地解決了以往煤巷掘進(jìn)效率低下、安全風(fēng)險突出的問題,達(dá)到了煤巷高效快速掘進(jìn)的效果。

5 結(jié)束語

煤巷高效快速掘進(jìn)對于提升煤礦企業(yè)生產(chǎn)效益具有深刻影響。新時期,煤礦企業(yè)生產(chǎn)人員只有充分認(rèn)識到煤巷掘進(jìn)的影響因素,然后基于當(dāng)前煤巷掘進(jìn)技術(shù),進(jìn)行掘進(jìn)、支護(hù)和運輸技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化,并深化優(yōu)化后的技術(shù)在項目實踐中的應(yīng)用,這樣才能真正提升煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用水平,保證煤礦生產(chǎn)效率與安全,并促進(jìn)整個采礦行業(yè)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。