基于層次分析法的煤巷快速掘進(jìn)工藝優(yōu)化探討

牟玉峰

(河南能源永煤公司 新橋煤礦， 河南 永城 476600)

近年來(lái)，隨著淺層煤炭資源儲(chǔ)量的日漸消耗，巷道掘進(jìn)逐步朝深部延伸。此外，隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，在滿足采掘設(shè)備體量、運(yùn)輸及通風(fēng)等要求下，巷道斷面也越做越大，這些發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑增大了巷道掘進(jìn)和圍巖支護(hù)的難度，加劇了礦井采掘接替緊張的局勢(shì)，成為制約現(xiàn)代化礦井安全高效發(fā)展的桎梏[1]. 因此，展開(kāi)對(duì)煤巷快速掘進(jìn)工藝技術(shù)特點(diǎn)的分析，確定影響快速掘進(jìn)施工的主要因素，并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際提出優(yōu)化方案，對(duì)于緩解采掘接替，提高巷道掘進(jìn)安全、施工質(zhì)量及施工效率都具有重要研究意義。本文采用層次分析法對(duì)影響煤巷快速掘進(jìn)施工的因素進(jìn)行量化分析，并提出針對(duì)性優(yōu)化方案，以對(duì)煤巷快速掘進(jìn)施工提供借鑒指導(dǎo)。

1 煤巷快速掘進(jìn)影響因素

巷道快速掘進(jìn)是指采用合理的掘進(jìn)破煤(巖)、裝煤(巖)和支護(hù)技術(shù)，科學(xué)組織和管理掘進(jìn)的各個(gè)施工工序，使各工序用時(shí)最少，且工序間轉(zhuǎn)換流暢，從而使巷道施工技術(shù)和組織管理都能得到良性發(fā)揮。煤巷掘進(jìn)施工主要包括掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、通風(fēng)、供電等多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間既相互依賴，又在有限的空間內(nèi)彼此制約，子系統(tǒng)間的“耦合-約束”特點(diǎn)決定了掘進(jìn)成巷的速度和質(zhì)量[2]. 此外，地層賦存條件、設(shè)備配置水平等也對(duì)煤巷快速掘進(jìn)施工產(chǎn)生較大影響?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，就現(xiàn)今煤巷掘進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)和管理開(kāi)展過(guò)程而言，主要存在環(huán)境、設(shè)備配置和工藝組織等3方面影響因素，具體表現(xiàn)為：

1) 易受地質(zhì)環(huán)境因素制約。

地質(zhì)因素是影響巷道掘進(jìn)施工的首要問(wèn)題。煤礦中不同地層特點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)和組成分布對(duì)工作面斷面形式、支護(hù)方式、施工工藝、施工設(shè)備等都有一定程度的影響。而且煤層賦存所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，往往對(duì)掘進(jìn)工作的影響是整個(gè)煤礦開(kāi)采過(guò)程中最關(guān)鍵的，一些大型的、復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)甚至直接影響煤礦掘進(jìn)、回采的總體規(guī)劃[3-4].

此外，隨著煤炭資源開(kāi)采深度的逐步增加，巷道斷面受設(shè)備體量、后期運(yùn)輸要求等不斷擴(kuò)大，巷道掘進(jìn)受周圍地層特征影響的頻度、廣度也相應(yīng)增大。橫向而言，地質(zhì)因素對(duì)巷道施工的影響，主要表現(xiàn)為地質(zhì)構(gòu)造如斷裂、陷落柱、褶皺等對(duì)巷道布置位態(tài)和起伏特征的制約，且多傾向于對(duì)巷道掘進(jìn)施工工藝的影響；縱向而言，主要是受深部地層特有的“三高一擾動(dòng)”(即高地應(yīng)力、高滲透壓力、高地溫、強(qiáng)開(kāi)采擾動(dòng))特征影響，對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度和圍巖控制技術(shù)方面提出了更高要求[5].

2) 施工設(shè)備匹配度低。

施工裝備是巷道掘進(jìn)作業(yè)的硬件基礎(chǔ)，同時(shí)也是決定快速掘進(jìn)技術(shù)落地推廣的關(guān)鍵因素。由于回采裝備及其配套設(shè)施的快速發(fā)展，當(dāng)前采煤工作面開(kāi)采強(qiáng)度逐年遞增，對(duì)井巷掘進(jìn)作業(yè)提出了更高、更快、更大的要求，同時(shí)也將礦井采掘接續(xù)計(jì)劃的時(shí)效性和合理性擺上更重要位置。提高掘進(jìn)工藝水平、推廣合適的巷道掘進(jìn)裝備，成為煤巷快速掘進(jìn)工藝實(shí)施的重要保障。但是，在實(shí)際作業(yè)中，由于煤礦迥異的地質(zhì)賦存特點(diǎn)，施工裝備未必能很好地適應(yīng)井下復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外為了降低工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)效益，很多煤礦選擇對(duì)巷道掘進(jìn)施工和支護(hù)的費(fèi)用進(jìn)行控制，忽視掘進(jìn)、支護(hù)工作的科學(xué)化和裝備與作業(yè)的協(xié)調(diào)性，選用造價(jià)低、不合實(shí)際、相對(duì)落后的工程裝備，不僅加大工程施工難度，而且由于施工設(shè)備不能有效貼合現(xiàn)場(chǎng)，很可能出現(xiàn)如支護(hù)不及時(shí)造成的巷道失穩(wěn)等不利狀況。此外，技術(shù)裝備的迭代升級(jí)，使以掘進(jìn)機(jī)為主的巷道掘進(jìn)設(shè)備從效率、性能、使用壽命、自動(dòng)化、智能化水平等方面，都有了長(zhǎng)足的改進(jìn)，但對(duì)比國(guó)外同型設(shè)備，我國(guó)在破巖性能、成巷效率、機(jī)電一體化、元部件可靠性等技術(shù)層面仍有較大差距。技術(shù)的革新需要打破以量取勝、疊加升級(jí)的“范式”，但這對(duì)習(xí)慣以局部改造、沿襲繼承為主的設(shè)備升級(jí)而言，無(wú)疑是更巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)[6].

3) 施工工藝組織不力。

巷道掘進(jìn)工藝涉及的掘進(jìn)、配套運(yùn)輸、通風(fēng)除塵、圍巖支護(hù)、排水供電等多個(gè)子系統(tǒng)中，尤以掘進(jìn)破巖和巷道支護(hù)工序的時(shí)空銜接影響最為明顯。當(dāng)前煤巷掘支作業(yè)主要包括先掘后支、交叉交替作業(yè)、邊掘邊支3種形式，但不論哪種工藝布置，多數(shù)煤巷掘進(jìn)施工中都無(wú)法在截割技術(shù)、錨固技術(shù)、運(yùn)輸系統(tǒng)等線性工序中尋找可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)成套系統(tǒng)化的交叉點(diǎn)和平衡點(diǎn)。以當(dāng)前大多數(shù)煤巷掘進(jìn)裝備層級(jí)和技術(shù)水平為例分析，掘進(jìn)作業(yè)中的割煤時(shí)間通常只占15% ～40% ，而采用臨時(shí)支護(hù)和較為先進(jìn)的錨桿錨固永久支護(hù)時(shí)間占48%～77%，表現(xiàn)出明顯的掘進(jìn)快、支護(hù)慢特點(diǎn)，而且這種趨勢(shì)隨著掘進(jìn)裝備截割效率和推進(jìn)能力的不斷增加會(huì)愈加突出。

此外，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的組織管理，則表現(xiàn)出明顯的“頭重腳輕”，即更注重技術(shù)裝備升級(jí)改造，而忽視工序、人力和物資的優(yōu)化配置。以巖巷施工為例，不論是以光面爆破、中深孔爆破等為主的鉆爆法，還是以掘進(jìn)機(jī)、液壓鉆機(jī)等構(gòu)成的機(jī)掘法，都無(wú)法充分發(fā)揮或接近其理論的掘進(jìn)效率，究其原因還是“重技術(shù)改造，輕管理升級(jí)”的傳統(tǒng)觀念使然。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)更多考慮掘進(jìn)和支護(hù)單方面成效，輕視正規(guī)循環(huán)涉及的包括運(yùn)輸、通風(fēng)等多個(gè)環(huán)節(jié)，所以我國(guó)的掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，更多體現(xiàn)在單進(jìn)水平上，但整體進(jìn)尺往往成效不明顯。因此，合理優(yōu)化施工組織，以實(shí)現(xiàn)“掘、支、運(yùn)、風(fēng)、電”等系統(tǒng)的一體化作業(yè)流程，是煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[7].

2 層次模型構(gòu)建及分析

根據(jù)前述煤巷快速掘進(jìn)影響因素，本文采用層次分析法對(duì)各層因素相對(duì)重要性權(quán)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)計(jì)算，得到最低層(方案層)相對(duì)最高層(總目標(biāo)) 的相對(duì)重要性次序的組合權(quán)值，以此作為因素關(guān)鍵性評(píng)價(jià)和優(yōu)化方案提出的依據(jù)。

2.1 層次模型構(gòu)建

根據(jù)現(xiàn)今我國(guó)煤巷快速掘進(jìn)工藝的影響因素，建立如圖1所示的層次結(jié)構(gòu)模型。模型中目標(biāo)層為煤巷快速掘進(jìn)影響因素評(píng)價(jià)，選取3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、10個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)影響因素進(jìn)行綜合考量。

圖1 煤巷快速掘進(jìn)影響因素結(jié)構(gòu)模型圖

其中，(A)=(煤巷快速掘進(jìn)影響因素評(píng)價(jià))；(B1，B2，B3)=(地質(zhì)環(huán)境條件，施工設(shè)備，施工工藝組織)；(C11，C12，C13，C14)=(礦山壓力，構(gòu)造特征，水文條件，圍巖性質(zhì))；(C21，C22，C23)=(掘進(jìn)裝備，運(yùn)輸裝備，支護(hù)裝備)；(C31，C32，C33)=(人員素質(zhì)，管理水平，技術(shù)水平) 。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

經(jīng)井下勘察調(diào)研、相關(guān)文獻(xiàn)參考、現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員分析以及專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)，得出：

計(jì)算得出的最大特征值及特征向量值見(jiàn)表1.

表1 判斷矩陣對(duì)應(yīng)最大特征值及特征向量表

2.3 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)指標(biāo)IC公式：

一致性比率CR公式為：

式中，n為判斷矩陣維數(shù)；IR為平均隨機(jī)性一次性指標(biāo)，查表2可得。

表2 IR隨判斷矩陣維數(shù)n的變化表

CR計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 一致性比率計(jì)算值表

從表3可以看出，CR值均小于0.10，故滿足一致性條件。

根據(jù)表1所示的各指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算得出C對(duì)A的總排序?yàn)閇0.064 2，0.122 5，0.023 4，0.122 5，0.341 9，0.064 4，0.181 7，0.008 7，0.024 5，0.046 2]. 從排序結(jié)果可知，掘進(jìn)裝備、支護(hù)設(shè)備、圍巖性質(zhì)、構(gòu)造特征及管理水平是影響綜掘進(jìn)度的主要因素，在制定優(yōu)化措施時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)從這幾方面入手。

3 快速掘進(jìn)施工優(yōu)化方向

3.1 掘進(jìn)裝備的選擇

掘進(jìn)裝備的技術(shù)先進(jìn)性和配套合理性是實(shí)現(xiàn)煤巷快速掘進(jìn)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)保障。目前我國(guó)煤巷快速掘進(jìn)裝備主要以掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)為主，其中掘進(jìn)機(jī)在長(zhǎng)壁布置工作面順槽掘進(jìn)中的應(yīng)用更為普及和成熟。掘進(jìn)機(jī)的選型關(guān)鍵是基于巷道斷面參數(shù)、地質(zhì)賦存特征、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及人力資源配置等限定條件的“量身”定制，同時(shí)考慮留有一定余量，以保證較大的適應(yīng)空間。如EBZ200型掘進(jìn)機(jī)機(jī)身寬度為3.6 m，最大施工寬度為6.5 m，則該機(jī)型掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)的巷道斷面寬度為4.6～5.8 m. 此外，掘進(jìn)裝備選型在結(jié)構(gòu)上也要有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，保證結(jié)構(gòu)緊湊合理，功能齊備完善，機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)，智能化水平高等。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)配套線路及輔助功能，要求控制線路布局合理清晰，便于檢修維保，除塵功能先進(jìn)，除塵效果良好，并能夠有效匹配運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘、裝、運(yùn)連續(xù)化，減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高掘進(jìn)效率和進(jìn)尺[8]. 圖2所示為常見(jiàn)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)配套設(shè)備組成。

1—EBZ型掘錨一體機(jī); 2—臨時(shí)支護(hù); 3—負(fù)壓風(fēng)筒; 4—供風(fēng)風(fēng)筒; 5—運(yùn)錨機(jī);6—轉(zhuǎn)載機(jī); 7—可伸縮帶式輸送機(jī); 8—除塵風(fēng)機(jī); 9—移動(dòng)變電站; 10—供風(fēng)風(fēng)機(jī)圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)連續(xù)運(yùn)輸快速掘進(jìn)配套設(shè)備圖

3.2 支護(hù)裝備優(yōu)化

現(xiàn)階段，我國(guó)煤巷掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)方式主要包括點(diǎn)柱支護(hù)、鋼架結(jié)構(gòu)支護(hù)、自移式支架及機(jī)載支護(hù)等。其中，點(diǎn)柱支護(hù)和鋼架結(jié)構(gòu)支護(hù)方式作為純粹的人工支護(hù)方式，存在空頂作業(yè)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低、安全性差等缺點(diǎn)，勢(shì)必被淘汰；自移式支架雖然支護(hù)強(qiáng)度大、機(jī)械自動(dòng)化高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、空間占比大，難以有效適應(yīng)復(fù)雜多變的迎頭條件，并容易與掘進(jìn)機(jī)等裝備相互干擾。而機(jī)載支護(hù)設(shè)備以鉸接軸等加裝方式與掘進(jìn)機(jī)機(jī)體聯(lián)結(jié)，機(jī)身輕巧靈活、布局合理、易于操作和維修。同時(shí)，以液壓為工作介質(zhì)的承載單元能快速提高對(duì)巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度，增加施工安全性。因此，在臨時(shí)支護(hù)裝備選型方面，以機(jī)載液壓前探梁等為主的機(jī)載支護(hù)方式，更能契合掘進(jìn)機(jī)連續(xù)施工和正規(guī)循環(huán)作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)隨掘隨支。

同時(shí)，機(jī)載錨桿鉆機(jī)也是解決掘進(jìn)機(jī)配套單體錨桿鉆機(jī)“掘后即錨、先掘后錨”流程，避免掘進(jìn)和永久支護(hù)工序交叉干擾，實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)的重要手段。機(jī)載錨桿鉆機(jī)是通過(guò)搖臂聯(lián)接方式將液壓錨桿鉆機(jī)布置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上方，并以油缸鏈條倍增機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和推展機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)定位和錨眼打設(shè)。該結(jié)構(gòu)方式對(duì)掘進(jìn)機(jī)主機(jī)功能影響小，靈活方便，能實(shí)現(xiàn)掘錨在不同空間的同步作業(yè)，但在應(yīng)用中需考慮適應(yīng)巷道高度問(wèn)題。

3.3 施工工藝優(yōu)化

1) 優(yōu)化掘進(jìn)工序流程。根據(jù)快速掘進(jìn)施工中“掘、支、運(yùn)、風(fēng)、電”等工序的時(shí)空銜接，編制單循環(huán)工序網(wǎng)絡(luò)圖。具體先以樹(shù)狀圖或關(guān)聯(lián)圖等方法拆解細(xì)化各工序內(nèi)的工作組成和層次關(guān)系，再結(jié)合平行作業(yè)原則和進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)圖等形成基于選定裝備和現(xiàn)場(chǎng)條件的整體施工工藝流程表，然后按照單循環(huán)作業(yè)時(shí)限要求，分解所有工作的時(shí)間占比和資源配置，從而形成以時(shí)空脈絡(luò)為主的煤巷掘進(jìn)作業(yè)流程循環(huán)表，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程目標(biāo)。

2) 弱化迎頭支護(hù)。對(duì)于相互制約明顯的掘進(jìn)和支護(hù)工序銜接，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和迎頭地質(zhì)條件，以定性和定量評(píng)價(jià)結(jié)果采取差異化的迎頭弱化支護(hù)技術(shù)，即在巷道掘進(jìn)后頂板破碎易失穩(wěn)或揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，采取“短進(jìn)尺、快支護(hù)”方式，縮短掘進(jìn)進(jìn)尺，加快臨時(shí)和永久支護(hù)組織，保證迎頭支護(hù)強(qiáng)度；而在頂板條件允許情況下，適當(dāng)增大單次掘進(jìn)進(jìn)尺，放寬空頂空間，先行施工控頂錨桿后，其余錨桿滯后迎頭10～20 m施工，以降低對(duì)掘進(jìn)的干擾，盡可能分離掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)空間和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)。

3) 推進(jìn)智能化掘進(jìn)體系建設(shè)。智能掘進(jìn)技術(shù)是由一系列互相依存、彼此銜接的功能模塊，通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流融合在一起，最終形成有機(jī)整體，其核心功能包括掘進(jìn)正規(guī)循環(huán)計(jì)劃、掘進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行、掘進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和井下掘進(jìn)裝備智能化[9]. 相較于機(jī)械法掘進(jìn)，智能化掘進(jìn)能優(yōu)化人-機(jī)作業(yè)模式中固存的非線性工作流程，發(fā)揮設(shè)備的理論掘進(jìn)效率，保證正規(guī)循環(huán)作業(yè)的執(zhí)行，所以更能適應(yīng)煤巷快速掘進(jìn)工藝要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從地質(zhì)環(huán)境因素、施工設(shè)備及施工工藝組織等3方面系統(tǒng)分析了影響煤巷快速掘進(jìn)“掘、支、運(yùn)、風(fēng)、電”等子系統(tǒng)運(yùn)行的因素，通過(guò)層次分析法確定了主要影響因素是掘進(jìn)、支護(hù)設(shè)備、圍巖性質(zhì)及施工工藝，提出了掘進(jìn)機(jī)設(shè)備選型的原則和方法，臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)選擇機(jī)載設(shè)備及涉及單循環(huán)工序網(wǎng)絡(luò)圖、弱化迎頭支護(hù)方法及智能化掘進(jìn)體系建設(shè)的施工工藝優(yōu)化策略，為煤巷快速掘進(jìn)施工提供參考借鑒。