高抽巷綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用

羅明坤

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦,山西 長(zhǎng)治 046204)

隨著開采深度的不斷增加,巷道地應(yīng)力也隨之增大,圍巖的相對(duì)強(qiáng)度也增加[1-3],使炮掘時(shí)掘進(jìn)難度加大,效率降低[4-6].在高瓦斯礦井,為解決工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯積聚問(wèn)題,通常采用在工作面煤層頂板布置走向高抽巷進(jìn)行瓦斯抽采[7-9].因此,高抽巷一般為全巖巷道,在巖巷施工過(guò)程中采用傳統(tǒng)炮掘施工效率低下[10],嚴(yán)重制約礦井的采掘銜接,同時(shí)巖巷炮掘掘進(jìn)工作量大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高[11,12]、安全系數(shù)低[13].為了提高工作面的掘進(jìn)速度和效率,需要引進(jìn)綜掘設(shè)備[14-16],因此對(duì)在綜合掘進(jìn)下提升巷道掘進(jìn)速度的研究有重要的意義.

針對(duì)以上問(wèn)題,潞安集團(tuán)漳村煤礦引進(jìn)綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備EBZ-280A,基于3DEC離散元數(shù)值分析軟件,以2603高抽巷為背景建立2603工作面開采模型,和掘進(jìn)研究工作面開采導(dǎo)致的頂板離層和垮落范圍,確定巷道合理掘進(jìn)層位,并制定一套針對(duì)綜掘的施工工藝,對(duì)巖巷快速掘進(jìn)的施工方式進(jìn)行了研究,最后成功進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐.研究結(jié)果對(duì)相同地質(zhì)條件下的巷道機(jī)械化掘進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支撐.

1 工程概況

2603高抽巷西側(cè)為2603運(yùn)巷,兩條巷道平行布置,南側(cè)為26皮帶巷,北側(cè)為井田邊界,東側(cè)為實(shí)體煤.2603工作面切眼長(zhǎng)度為300 m,工作面可采長(zhǎng)度1 158 m,設(shè)計(jì)運(yùn)輸巷道長(zhǎng)度1 228 m,風(fēng)巷1 200 m,高抽巷1 228 m,可采儲(chǔ)量305萬(wàn)t.2603工作面煤層平均厚度6.53 m,煤層埋深525～545 m.煤層及頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示.

圖1 2603工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2 影響高抽巷快速成巷的關(guān)鍵因素

1)地質(zhì)條件.地質(zhì)條件是影響高抽巷快速成巷的先決條件,若地質(zhì)條件復(fù)雜則會(huì)大大影響掘進(jìn)速度和成巷效果,因此高抽巷層位合理位置的選擇是影響快速成巷的關(guān)鍵因素.

2)施工裝備.掘進(jìn)施工裝備是實(shí)現(xiàn)快速成巷的重要保障.傳統(tǒng)的掘進(jìn)工藝采用崩落法施工實(shí)現(xiàn)破巖,利用扒巖機(jī)配合礦車或膠帶等設(shè)備完成裝矸和運(yùn)矸工序,無(wú)法實(shí)現(xiàn)破、裝、運(yùn)的一體化作業(yè),工效較低.掘進(jìn)設(shè)備選型需要符合當(dāng)前地質(zhì)條件,否則容易導(dǎo)致機(jī)械頻繁故障,嚴(yán)重影響連續(xù)作業(yè).

3)作業(yè)方式.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),巷道掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)耗時(shí)所占比重達(dá)到70%,若能實(shí)現(xiàn)掘支一體化作業(yè),則可優(yōu)化掘進(jìn)時(shí)間,提高掘進(jìn)效率.

4)人員綜合素質(zhì).掘進(jìn)隊(duì)伍的綜合素質(zhì)是影響施工效率的重要因素,為了保證掘進(jìn)工序的安全、連貫、有序進(jìn)行,需要提升施工技術(shù)人員的綜合素質(zhì).

5)管理水平.高效的組織管理模式和良好的獎(jiǎng)懲制度,能促進(jìn)技術(shù)人員的安全意識(shí)、工作積極性以及各工序的銜接能力等方面得到較大的提高.

3 巖巷綜合機(jī)械化快速掘進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 合理層位選擇

高抽巷瓦斯抽放的原理是將巷道布置在工作面上方的裂隙帶內(nèi),隨著工作面回采推進(jìn)頂板逐步垮落,原始煤層中的瓦斯壓力平衡狀態(tài)被破壞,釋放解析出的瓦斯向裂隙帶滲流,并在抽放負(fù)壓作用下匯集至高抽巷被抽出.因此高抽巷往往選擇在距冒落帶較近、裂隙發(fā)育相對(duì)較多的裂隙帶下部.

3.1.1 巖石強(qiáng)度測(cè)試

為了得到巖石強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù),漳村煤礦聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行層位巖石強(qiáng)度測(cè)試.巖石制備成標(biāo)準(zhǔn)尺寸Ф50 mm×100 mm的巖樣,巖石試樣在MTS816試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試,巖石試樣的受壓破壞示意圖如圖2所示.

圖2 2603工作面巖石強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)得到直接頂砂質(zhì)泥巖的巖石硬度指數(shù)f為3～4,老頂細(xì)粒砂巖的硬度指數(shù)f為5～6,泥巖的硬度指數(shù)f為2～3.

3.1.2 工作面頂板裂隙帶層位

根據(jù)漳村煤礦2603工作面巖石強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,并結(jié)合相鄰工作面地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù),3#煤層老頂巖石平均強(qiáng)度為53.28 MPa,硬度指數(shù)f為5～6,屬于中硬巖層.依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》,厚煤層分層開采的冒落帶高度可通過(guò)式(1)計(jì)算,裂隙帶高度可通過(guò)式(2)得到:

(1)

(2)

式中:H冒為冒落帶高度;H裂為裂隙帶高度;M為各巖層厚度.

根據(jù)式(1)和式(2)得到:3#煤層回采工作面冒落帶高度為煤層頂板上11～15 m,距煤層15 m以上頂板進(jìn)入裂隙帶,裂隙帶位于煤層頂板以上15～55 m.

3DEC是一款基于離散單元法為基本理論,描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計(jì)算分析程序.依據(jù)工作面尺寸建立3DEC模型,工作面長(zhǎng)度260 m,兩側(cè)各留有70 m作為保護(hù)邊界,以消除邊界效應(yīng).數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=400 m×300 m×200 m.模型開采垮落形態(tài)如圖3所示.

圖3 工作面上覆頂板開采垮落形態(tài)

從圖3中可以看出:3DEC模型中工作面開采完成后,頂板完全垮落,工作面兩端頭有懸頂,懸頂長(zhǎng)度為10 m左右,工作面20～240 m位置頂板基本接底.上覆巖層垮落觸底,冒落高度為10～15 m,裂隙帶分布在頂板15～35 m位置.

結(jié)合理論計(jì)算與離散元數(shù)值分析得到:2603工作面上覆巖層冒落帶和裂隙帶高度分界線大約在煤層以上15 m位置,距煤層高度小于15 m為冒落帶,大于15 m為裂隙帶.

3.1.3 巖性對(duì)高抽巷層位選擇的影響

高抽巷層位選擇還與巷道巖性相關(guān),巷道巖性的強(qiáng)弱直接影響高抽巷的掘進(jìn)效率以及巷道的支護(hù)效果.

1)應(yīng)保證錨桿(索)錨固端位于穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層中.2603高抽巷頂部采用屈服強(qiáng)度335 MPa,Φ22 mm×2 400 mm錨桿支護(hù),Φ18.9 mm×5 000 mm錨索補(bǔ)強(qiáng),為保證巷道支護(hù)可靠,因此2603高抽巷應(yīng)盡可能保證巷道頂板上方2～6 m(錨桿索錨固區(qū)域)范圍為堅(jiān)硬穩(wěn)定砂巖,確保頂板安全.

2)在保證瓦斯抽放效果、支護(hù)安全可靠的前提下,將巷道掘進(jìn)區(qū)域盡可能選擇在巖性為泥巖或泥質(zhì)砂巖等硬度相對(duì)較低的軟巖中.巷道掘進(jìn)時(shí),巖石硬度與破巖、落巖效率成正比,隨著巖石硬度增高,掘進(jìn)機(jī)割巖時(shí)間往往成倍數(shù)增加,巷道掘進(jìn)效率大幅降低,這將影響整個(gè)工作面的圈定工期,甚至導(dǎo)致礦井采掘銜接失衡.

綜合上述分析,以滿足抽采效果為目標(biāo),以確保頂板安全為原則,兼顧掘進(jìn)機(jī)截割效率,應(yīng)在裂隙帶下部區(qū)域選擇一層錨桿索錨固端為堅(jiān)硬穩(wěn)定砂巖、巷道掘進(jìn)區(qū)域?yàn)槟鄮r的層位布置高抽巷,結(jié)合臨近2601工作面高抽巷布置經(jīng)驗(yàn),2603高抽巷擬布置于裂隙帶下部,即3#煤層頂板往上15～18 m位置.

3.2 巷道斷面及支護(hù)優(yōu)化

3.2.1 巷道斷面優(yōu)化

根據(jù)EBZ-280A掘進(jìn)機(jī)機(jī)身尺寸(鏟板寬2.6 m,截割頭水平放置最高點(diǎn)2.3 m),結(jié)合巷內(nèi)掘進(jìn)各系統(tǒng)設(shè)施(皮帶、風(fēng)筒、吊軌、管路)布置,同時(shí)為防止掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)故障,巷道斷面需同時(shí)滿足皮帶安裝及單軌吊通行,以便于大尺寸部件運(yùn)輸.最終將巷道寬度確定為3.9 m(單軌吊吊軌兩側(cè)各1.1 m+皮帶架寬1.2 m+皮帶距幫0.5 m);巷道高度確定為3.3 m(單軌吊吊軌距頂0.7 m+距底2.6 m).

3.2.2 巷道支護(hù)優(yōu)化

2603高抽巷巖巷綜掘試驗(yàn)采用屈服強(qiáng)度335 MPa,錨桿直徑22 mm,螺紋部分直徑24 mm,長(zhǎng)度2 400 mm的螺紋鋼錨桿支護(hù),采用Φ18.9 mm×5 000mm錨索補(bǔ)強(qiáng)(1-0-1布置),錨桿排距1.2 m.具體支護(hù)如圖4所示.

圖4 巷道斷面支護(hù)(單位：mm)

3.3 設(shè)備配套

3.3.1 綜掘機(jī)的工作原理及性能

一般來(lái)說(shuō),綜掘機(jī)利用截割頭切入巖體,增加周圍巖體的自由空間,利用回轉(zhuǎn)液壓油缸控制截割頭左右擺動(dòng),按照設(shè)計(jì)截割路線使圍巖發(fā)生拉伸破壞.巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度,因此合理利用拉應(yīng)力可有效地提高掘進(jìn)機(jī)的破巖效率,降低功耗.

選用EBZ-280A型懸臂式掘進(jìn)機(jī),該設(shè)備可配合膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮膠帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)排矸.該掘進(jìn)機(jī)外形尺寸:12.4 m×2.4 m×2.3 m,綜掘機(jī)的最大定位截割斷面可達(dá) 18 m2,截割強(qiáng)度不大于80 MPa,坡度±18°.該掘進(jìn)機(jī)破巖能力強(qiáng),截齒布置設(shè)計(jì)合理,在f<8 的巖巷可正常掘進(jìn),掘進(jìn)時(shí)機(jī)身穩(wěn)定,適用于2603高抽巷的快速掘進(jìn).

EBZ-280A型懸臂式掘進(jìn)機(jī)綜合技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 掘進(jìn)機(jī)綜合技術(shù)參數(shù)

3.3.2 帶式輸送機(jī)的選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合相關(guān)規(guī)范,其選擇通常從以下5個(gè)方面考慮:(1)滿足現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及施工工藝;(2)輸送能力要與掘進(jìn)機(jī)的排矸能力相匹配;(3)保證輸送機(jī)完全穩(wěn)定,滿足現(xiàn)場(chǎng)的坡度要求;(4)確保輸送系統(tǒng)安全可靠,驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶間的驅(qū)動(dòng)力要滿足設(shè)計(jì)要求,并保證不小于20%的富裕系數(shù);(5)膠帶具有足夠的耐磨性能和抗沖擊能力.

綜上,決定采用EBZ-280A掘進(jìn)機(jī)割巖,QZP-160橋式轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)配合DSJ-80膠帶輸送機(jī)運(yùn)巖.

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

4.1 綜合經(jīng)營(yíng)指標(biāo)分析對(duì)比

根據(jù)確定的巖層層位,在2603工作面上方布置高抽巷,使用EBZ-280A掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)2603高抽巷,掘進(jìn)長(zhǎng)度1 122 m.2603高抽巷綜掘與2601高抽巷炮掘各項(xiàng)費(fèi)用綜合對(duì)比見表2.

表2 綜合經(jīng)營(yíng)指標(biāo)對(duì)比 元/m

由表2可以看出：采用綜掘施工時(shí),雖然巷道的支護(hù)材料費(fèi)、電費(fèi)、配件費(fèi)這3項(xiàng)均高于炮掘施工的費(fèi)用,但由于綜掘施工效率高,工效大幅提升,所節(jié)約的人工薪酬、設(shè)備租賃(折舊)費(fèi)這2項(xiàng)就超過(guò)了新增費(fèi)用,而且綜掘施工不產(chǎn)生火工品費(fèi)用,綜合各項(xiàng)費(fèi)用綜掘可節(jié)約811.05元/m,總計(jì)可節(jié)約91萬(wàn)元左右.

4.2 掘進(jìn)效率對(duì)比

對(duì)比2601高抽巷炮掘和2603高抽巷綜掘的最高月(日)掘進(jìn)量、平均月(日)掘進(jìn)量以及工效,如表3所示.

表3 掘進(jìn)效率對(duì)比

通過(guò)表3發(fā)現(xiàn),2603高抽巷巖巷綜掘日均進(jìn)尺6.2 m,最高日進(jìn)尺達(dá)9.6 m,平均日進(jìn)尺和平均月進(jìn)尺較炮掘均有較大幅度的提升,成效顯著.說(shuō)明采用綜合掘進(jìn)機(jī)可以顯著提高巷道施工效率,加快巷道和工作面布置,緩解煤礦采掘銜接緊張.

5 結(jié)論

1)2603高抽巷合理布置層位為裂隙帶下部,即3#煤層頂板向上15～18 m處.

2)選用EBZ-280A型懸臂式掘進(jìn)機(jī),巷道布置斷面寬度為3.9 m，高度為3.3 m,并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功.

3)采用綜掘機(jī)掘進(jìn)最高日進(jìn)尺達(dá)到9.6 m,最高月進(jìn)尺達(dá)到237.8 m,對(duì)比炮掘施工,最高月進(jìn)尺效率提升123.3%,解決了因高抽巷的布置影響工作面整體圈定工期及綜合經(jīng)營(yíng)指標(biāo)費(fèi)用過(guò)高的問(wèn)題,為高抽巷及其他巖巷的施工提供了經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù).