巖巷掘運(yùn)噴一體化快速施工技術(shù)與裝備研究

張利兵

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云草垛溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 8101工作面概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云草垛溝煤業(yè)行政區(qū)劃隸屬于大同市左云縣雀兒山鎮(zhèn)，位于大同煤田西北部，礦區(qū)總面積10.102 8 km2，可采儲(chǔ)量1 910.37萬(wàn)t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/年，主采5號(hào)、8號(hào)、11號(hào)、14號(hào)煤層。草垛溝煤業(yè)8101工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 650 m，3‰下山施工，巷道采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，巷道斷面為半圓拱形。巷道斷面毛寬4.76 m、毛高3.88 m，掘進(jìn)斷面面積為16.24 m2；斷面凈寬4.6 m、凈高3.8 m，凈斷面面積為15.21 m2。該巷道建成后擔(dān)負(fù)著8101工作面開采運(yùn)輸、通風(fēng)、人員行走等任務(wù)。

草垛溝煤業(yè)巖巷掘進(jìn)工程量年均需達(dá)3 000 m以上，掘進(jìn)速度的快慢直接影響到8101工作面的投產(chǎn)以及煤礦的長(zhǎng)遠(yuǎn)接續(xù)。而由于隊(duì)伍老化自然減員、裝備水平和施工工藝相對(duì)落后，巖巷掘進(jìn)月進(jìn)尺長(zhǎng)期徘徊在60～80 m之間，因此加快巖巷掘進(jìn)速度對(duì)草垛溝煤業(yè)完成開拓任務(wù)、持續(xù)保持礦井采掘工作和安全健康發(fā)展具有重要意義。以8101工作面回風(fēng)巷為研究對(duì)象，進(jìn)行了大斷面巖巷掘運(yùn)噴一體化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備的研究。

2 大斷面巖巷掘運(yùn)噴一體化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備研究方案

針對(duì)8101工作面回風(fēng)巷的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，主要從優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、改進(jìn)施工工藝、采用新型施工設(shè)備等方面，實(shí)現(xiàn)掘運(yùn)噴一體化高效平行作業(yè)，提高巖巷掘進(jìn)效率。

2.1 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)效果

根據(jù)8101回風(fēng)巷道巖石的特點(diǎn)，針對(duì)性地進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)修正，將原設(shè)計(jì)排距0.8 m增加到1.0 m；鑒于錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)的原理和作用，噴混凝土支護(hù)的被動(dòng)支護(hù)效果大大弱化，將噴漿厚度由原來(lái)的100～120 mm降低到80 mm，以密閉網(wǎng)片為準(zhǔn)。通過(guò)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提高掘進(jìn)效率。

2.1.1 根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨桿參數(shù)

錨桿長(zhǎng)度L按式（1）計(jì)算：

式中：K為軟弱巖層變化的安全系數(shù)，取1.5；H為軟巖層厚度或冒落拱高度，取0.9 m；L1為錨桿嵌入穩(wěn)定巖層的深度，取0.6 m；L2為錨桿在巷道外外露長(zhǎng)度，取0.12 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得：L=2.07 m。

錨桿間距D按式（2）計(jì)算：

式中：Q為設(shè)計(jì)的錨桿錨固力，取130 kN；γ為上覆巖層平均重力密度，取25 kN/m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算得：D=1.7 m。

錨桿排距M按式（3）計(jì)算：

式中：n為每排錨桿根數(shù)，取9；a為巷道掘進(jìn)寬度的一半，取2.35 m；b為潛在冒落拱高度，取3.5 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算得：M=1.4 m。

2.1.2 根據(jù)加固拱理論計(jì)算錨桿參數(shù)

錨桿長(zhǎng)度L'按式（4）計(jì)算：

式中：N為圍巖穩(wěn)定性系數(shù)，取1.1；B為巷道跨度，取4.5 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）計(jì)算得：L'=1.73 m。

結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)和工程類比，錨桿長(zhǎng)度取L'=2 m，錨桿間距D'≤0.5 L'=1.0 m。

2.1.3 結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定優(yōu)化參數(shù)

根據(jù)以上兩種理論計(jì)算的錨桿支護(hù)參數(shù)，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將錨桿間排距由原來(lái)的0.8 m×0.8 m優(yōu)化為1.0 m×1.0 m，錨桿長(zhǎng)度取2.2 m。

2.1.4注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)頂板

施工期間遇特殊地段如斷層、裂隙發(fā)育等條件變化時(shí)，可以后期補(bǔ)打注漿錨索以補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)。采用SKZ221/1670、長(zhǎng)度7.2 m注漿錨索，間排距為2 000 mm、3000 mm，預(yù)緊力80～100 kN。注漿錨索中空設(shè)計(jì)，使錨索實(shí)現(xiàn)了注漿管的功能，避免了傳統(tǒng)施工工藝注漿管拔出時(shí)造成的砂漿流失；注漿飽滿，砂漿可以將錨索體全長(zhǎng)包裹錨固。掘進(jìn)期間距離迎頭5 m范圍內(nèi)施工注漿錨索，實(shí)現(xiàn)錨注錨索與掘進(jìn)工作平行作業(yè)。

2.2 采取中深孔光面爆破倒臺(tái)階施工法提高掘進(jìn)效率

由于巷道斷面較大，為減小一次爆破起爆藥量，降低爆破震動(dòng)危害，采用倒臺(tái)階法施工技術(shù)，分次裝藥、連線和起爆。下臺(tái)階先起爆，爆破后的巖石，作為上臺(tái)階裝藥平臺(tái)；形成良好的自由面，從而取得較好的爆破效果，提高爆破進(jìn)度[1]。

1）炮孔直徑、炸藥直徑：巖巷鉆爆法施工中，炸藥是決定爆破效果的重要因素，包括炸藥類型、裝藥直徑。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用煤礦許用T320型水膠炸藥。

2）炮孔深度：炮孔深度主要由巷道施工巖石性質(zhì)、巷道斷面大小、循環(huán)作業(yè)方式、鑿巖機(jī)鑿巖能力及職工操作技術(shù)水平等因素決定。鑿巖機(jī)釬子每增加1 m炮眼，其鉆眼速度就下降4%～10%，且鉆眼深度越大，鉆眼速度就下降得越快，特別是當(dāng)炮眼深度超過(guò)2.5 m左右時(shí)，由于釬子質(zhì)量增加，首先克服釬子彈性變形的沖擊功增大，排粉難度增大；其次釬桿與巖壁間摩擦力增大能量消耗增加；再者人工拔針也相對(duì)較困難。綜上所述，炮孔深度取掏槽眼深2.3 m左右、輔助眼及周邊眼深2.1 m，循環(huán)進(jìn)尺2.0～2.1 m能取得較好的爆破效果。

3）掏槽方式：為了提高爆破效率，控制爆破作業(yè)時(shí)拋擲距離，防止崩壞設(shè)備，采取直眼掏槽的方式，具體做法是：為提高掏槽的爆破效果，在掏槽范圍內(nèi)打設(shè)2個(gè)眼孔，爆破期間不裝藥，形成自由面增加掏槽眼爆破效果，掏槽眼加深200 mm。在保證良好堵塞的條件下，正向起爆炸藥產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體噴出較少，更多是向周圍破壞炮孔壁，安全可靠性高，因此采用正向裝藥。直眼掏槽可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)、深眼爆破，從而為提高掘進(jìn)速度提供了有利條件[2]。實(shí)踐表明，采用上述掏槽方式，掏槽效果較好，拘槽深度均達(dá)到了2 m以上。

采用中深孔光面爆破技術(shù)，每班同時(shí)用3臺(tái)7655鑿巖機(jī)，搭配2.4 m長(zhǎng)鉆桿進(jìn)行打眼，實(shí)行分區(qū)定人、定位、定鉆、定時(shí)間、定數(shù)量，加大循環(huán)進(jìn)尺。以往采用淺眼爆破的炮眼深度為1.618 m，循環(huán)進(jìn)尺約1.6 m。中深孔爆破炮眼深度增加到2.1～2.3 m，循環(huán)進(jìn)尺提高到2.0 m，炮眼利用率由原來(lái)的75%提高到95%。

2.3 采用調(diào)車盤配合CTL-12/6型電機(jī)車快速出矸

氣動(dòng)調(diào)車盤主要由調(diào)車盤本體、氣動(dòng)調(diào)車絞車、氣動(dòng)操縱臺(tái)，空車推車氣缸（簡(jiǎn)稱短缸）和重車推車氣缸（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)缸）等部分構(gòu)成。調(diào)車盤的最大推力可一次推動(dòng)30輛重礦車，CTL-12/6型電機(jī)車每鉤可以運(yùn)輸30輛礦車，與調(diào)車盤運(yùn)輸能力相匹配，傳統(tǒng)出矸效率為40車/h，調(diào)車盤配合電機(jī)車出矸效率為72車/h，采用調(diào)車盤配合電機(jī)車實(shí)現(xiàn)快速高效流水出矸，大大地提高了運(yùn)輸效率。

實(shí)踐證明，使用調(diào)車盤空車在耙裝機(jī)漏料口下方的定位較為精準(zhǔn)，杜絕了傳統(tǒng)的小絞車運(yùn)輸定位難的難題；使用調(diào)車盤節(jié)約施工人員，傳統(tǒng)對(duì)拉JD-1小絞車出矸作業(yè)需4～5人，而調(diào)車盤出矸只需要2人即可作業(yè)，綜合裝巖效率提高1.5～2倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了出矸作業(yè)時(shí)耙裝機(jī)后無(wú)人化作業(yè)，杜絕了用人工推車調(diào)車而發(fā)生的碰傷、砸傷等人身事故，改善了勞動(dòng)條件，提高了作業(yè)安全水平。

2.4 高效應(yīng)用遠(yuǎn)程噴漿機(jī)

遠(yuǎn)程噴漿機(jī)由PYC6Z型混凝土噴射機(jī)與ZLD6LY型鏈斗式混凝土轉(zhuǎn)載機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)上料噴漿作業(yè)，每1 000 m前移一次噴漿機(jī)。傳統(tǒng)的PC61-J型噴漿機(jī)每通一次耙裝機(jī)必須前移一次，一般緊跟粑裝機(jī)后尾，在噴漿作業(yè)時(shí)將耙裝機(jī)處的運(yùn)輸路線阻斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)出矸與噴漿平行作業(yè)；使用遠(yuǎn)程噴漿機(jī)減少了前移噴漿機(jī)的次數(shù)，同時(shí)傳統(tǒng)噴漿機(jī)需要4～5人配合人工上料，遠(yuǎn)程噴漿機(jī)只需要2～3人配合機(jī)械上料即可完成噴漿作業(yè)，且5人可以實(shí)現(xiàn)噴漿與出矸平行作業(yè)，縮短了巷道成巷的時(shí)間，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約了人員、提高了掘進(jìn)效率。

3 應(yīng)用效果分析

巖巷掘運(yùn)噴一體化快速施工關(guān)鍵技術(shù)與裝備在8101回風(fēng)巷道進(jìn)行了成功運(yùn)用，通過(guò)實(shí)施中深孔直眼掏槽爆破、倒臺(tái)階施工、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、創(chuàng)新注漿錨索支護(hù)、構(gòu)建快速出矸作業(yè)線和高效噴漿作業(yè)線，保證了支護(hù)質(zhì)量，提高了單進(jìn)水平。

成功自主研發(fā)應(yīng)用粑矸機(jī)快速出矸作業(yè)線，實(shí)現(xiàn)出矸連續(xù)化，不僅使出矸效率提高87%，而且規(guī)避了以往采用電瓶車或小絞車倒車所帶來(lái)的安全隱患，實(shí)現(xiàn)了耙裝機(jī)后無(wú)人化作業(yè)。成功應(yīng)用YC6Z型液壓轉(zhuǎn)子式混凝土遠(yuǎn)距離噴漿機(jī)、ZLD6L-Y型鏈斗式混凝土轉(zhuǎn)載機(jī)（上料機(jī)器人）、LG600-100K螺桿式混凝土攪拌器（拌料機(jī)器人），實(shí)現(xiàn)了噴漿料遠(yuǎn)距離輸送及配料、上料自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了少人化作業(yè)。

綜上，每個(gè)正規(guī)循環(huán)時(shí)間由原來(lái)的8.05 h減少為7.10 h，確保每個(gè)掘進(jìn)小班均能順利完成一個(gè)正規(guī)循環(huán)，縮短了作業(yè)時(shí)間，人均月進(jìn)尺達(dá)到2.4 m，掘進(jìn)工效提高53%，單進(jìn)水平由從原來(lái)的月進(jìn)60～80 m提高至現(xiàn)在的月進(jìn)120～160 m，巖巷掘進(jìn)成本由原1.98萬(wàn)元/m降低至1.162 3萬(wàn)元/m，經(jīng)濟(jì)效益顯著。