孟村煤礦快速掘進(jìn)裝備適應(yīng)性研究

馮俊超,張劍華

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713600)

0 引言

掘進(jìn)工作面是煤礦井下人員最密集、環(huán)境最惡劣的工作場(chǎng)所,傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝采用掘進(jìn)和支護(hù)交替間歇作業(yè),速度慢、用人多、安全性差,掘進(jìn)設(shè)備功能單一、相互協(xié)同性差、效率低,全國(guó)綜掘平均月進(jìn)尺180 m,采掘失衡嚴(yán)重,制約了煤礦高效生產(chǎn)。隨著國(guó)家科技投入的不斷增加,煤礦井下巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備取得一批重要科技成果,實(shí)現(xiàn)從炮掘到機(jī)掘的跨越[1-3]。

為進(jìn)一步提高掘進(jìn)速度,實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè),引入掘錨一體機(jī)高效快速掘進(jìn)技術(shù),掘錨一體化高效掘進(jìn)技術(shù)在截割、支護(hù)、運(yùn)輸、控制、粉塵等技術(shù)方面優(yōu)于綜掘技術(shù),掘支運(yùn)平行作業(yè)時(shí)間由25%～35%增至50%～70%,月平均進(jìn)尺達(dá)600～2 500 m,滿足煤巷高效掘進(jìn)的生產(chǎn)要求。掘錨一體化高效掘進(jìn)成套裝備相繼在神東、陜煤等不同地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用,月最高進(jìn)尺達(dá)到3 088 m,創(chuàng)造了煤巷大斷面單巷掘進(jìn)的世界紀(jì)錄[4-10]。

孟村煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜,災(zāi)害疊加嚴(yán)重,掘錨一體機(jī)對(duì)掘進(jìn)地質(zhì)條件適應(yīng)性較差,需要詳細(xì)調(diào)研快速掘進(jìn)裝備系統(tǒng)的設(shè)備配套及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果,對(duì)巷道快速掘進(jìn)過程中遇到的問題和采取的改進(jìn)措施進(jìn)行研究分析,評(píng)價(jià)其適應(yīng)性。研究快速掘進(jìn)裝備系統(tǒng)高效掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)快速掘進(jìn)施工工藝、勞動(dòng)組織方式、支護(hù)參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化,形成適用的快速掘進(jìn)裝備及其配套掘進(jìn)工藝成套技術(shù)體系,對(duì)提升孟村煤礦經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

孟村煤礦井田東西長(zhǎng)10.6 km,南北寬5.87 km,呈近矩形狀,面積60.47 km2。井田儲(chǔ)量為1 019.20 Mt,可采儲(chǔ)量585.08 Mt,礦井設(shè)計(jì)服務(wù)年限為69.5 a。孟村煤礦主采延安組4號(hào)煤層,煤層全厚3.70～26.30 m,平均16.25 m,埋深393～890 m,由東南向西北方向埋深逐漸加大。4號(hào)煤層屬容易自燃煤層,煤塵有爆炸危險(xiǎn)。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,屬高瓦斯礦井,水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型,二級(jí)熱害區(qū)主要分布于井田北部,其余大部分區(qū)域?yàn)橐患?jí)熱害區(qū),4號(hào)煤層為強(qiáng)沖擊煤層,礦井為嚴(yán)重沖擊地壓礦井。

本項(xiàng)目主要分析評(píng)價(jià)401104工作面掘進(jìn)期間快速掘進(jìn)裝備系統(tǒng)的適應(yīng)性。401104工作面運(yùn)輸巷于2022年1月開工,預(yù)計(jì)2022年12月竣工。該工作面掘進(jìn)期間,共設(shè)計(jì)3條巷道,分別為回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和措施巷。401104工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度2 187.996 m,服務(wù)年限直至401104工作面回采結(jié)束。401104工作面運(yùn)輸巷巷道斷面為矩形,掘進(jìn)尺寸為5.8 m×3.6 m(寬×高),巷道均采用金屬網(wǎng)護(hù)表,螺紋鋼錨桿配以鋼帶及錨索對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù),錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm,矩形布置,錨桿間排距為750 mm×700 mm;頂部錨索規(guī)格為φ28.6 mm×7 100 mm,按照“四三四”布置,錨索間排距1 500 mm×700 mm;幫部采用錨索配合M鋼帶支護(hù),鋼帶分上、下2組,上鋼帶布置3根錨索,下鋼帶布置2根錨索,錨索規(guī)格為φ21.8 mm×3 500 mm,矩形布置,間排距850 mm×700 mm。具體支護(hù)情況如圖1所示。

孟村煤礦401104工作面運(yùn)輸巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)由EJM2×170掘錨機(jī)、DZQ100/95/30橋式轉(zhuǎn)載皮帶、DWZY1000/1500皮帶自移機(jī)尾、DSJ100/100/2×200 kW長(zhǎng)距離運(yùn)料帶式輸送機(jī)共4部分組成(皮帶運(yùn)輸距離可達(dá)2 000 m),掘錨機(jī)機(jī)載鉆機(jī)配合風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)進(jìn)行支護(hù)。應(yīng)用初期,掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺1.4 m(2排),日循環(huán)次數(shù)為5次,工作天數(shù)按30 d,正規(guī)循環(huán)率按90%,月進(jìn)尺為189 m。

2 快速掘進(jìn)影響因素分析

孟村煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,災(zāi)害嚴(yán)重,掘錨一體機(jī)在行進(jìn)的過程中會(huì)遇到很多問題,嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。經(jīng)分析,影響煤礦巷道掘進(jìn)效率的因素主要有4個(gè)方面:圍巖地質(zhì)力學(xué)條件、巷道賦存及工程條件、巷道支護(hù)工藝以及勞動(dòng)組織方式。

2.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)條件

圍巖地質(zhì)條件:圍巖地質(zhì)條件對(duì)巷道快速掘進(jìn)的影響主要有①異常地質(zhì)區(qū)的形式、數(shù)量以及長(zhǎng)度會(huì)影響巷道快速掘進(jìn),如:滾筒式的掘錨機(jī)無法在過陷落柱時(shí)及時(shí)支護(hù),需要超前注漿、人工超前架設(shè)鋼釬或人工鉆裝錨桿;②掘進(jìn)過斷層時(shí)破巖效率低,有時(shí)還需懸臂式掘進(jìn)機(jī)破巖或爆破破巖,因此,掘錨機(jī)在異常地質(zhì)區(qū)掘進(jìn)時(shí)輔助工程量大、耗時(shí)長(zhǎng);③掘錨一體機(jī)設(shè)備對(duì)掘進(jìn)地質(zhì)條件適應(yīng)性較差,巷道構(gòu)造數(shù)量多、構(gòu)造帶長(zhǎng)度占比大時(shí)會(huì)影響巷道快速掘進(jìn)的效率,孟村煤礦異常地質(zhì)區(qū)為禮村向斜。

應(yīng)力環(huán)境:應(yīng)力環(huán)境對(duì)巷道快速掘進(jìn)的影響主要有①為減少圍巖在應(yīng)力作用下發(fā)生不連續(xù)變形、頂板離層,影響支護(hù)的長(zhǎng)期效果,煤巷開挖后要求立即施加支護(hù)且允許的空頂小;②小空頂距要求快掘裝備在掘進(jìn)工作有限空間內(nèi)掘后即支,掘支裝備頻繁交叉作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng),制約著集成化大型裝備的使用;③高應(yīng)力巷道掘后圍巖破碎,圍巖表面坑洼不平,會(huì)影響網(wǎng)片鋪設(shè)、錨桿錨索孔的打設(shè)速度;④巷道開挖產(chǎn)生應(yīng)力重新分布且與構(gòu)造應(yīng)力相互疊加,增加了發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性。

2.2 巷道賦存及工程條件

巷道賦存狀況:巷道賦存狀況是直接影響掘進(jìn)速度的因素,主要包括頂板圍巖穩(wěn)定性、頂板兩幫圍巖原生裂隙、底板強(qiáng)度及巖性等。孟村煤礦圍巖賦存狀況為巷道布置在煤層中,煤層平均厚度25.3 m,巷道高度5.8 m;煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含0～1層夾矸,傾角0°～6°,平均3°,普氏硬度系數(shù)為1.7～3.8,層理中等發(fā)育。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度10 m;直接底為碳質(zhì)泥巖,平均厚度1.5 m,影響較大。

工程條件:巷道掘進(jìn)受原有工程條件的影響因素,主要包括①本層或鄰近層存在采空區(qū)時(shí),巷道圍巖中會(huì)存在應(yīng)力集中、圍巖劣化的情況,進(jìn)而影響巷道快速掘進(jìn),因此,留煤柱巷道特別是小煤柱巷道(沿空掘巷)一般不采用掘錨機(jī)組;②掘進(jìn)工作面附近有工程擾動(dòng),如巖巷爆破等會(huì)使圍巖劣化,影響巷道掘進(jìn)。孟村煤礦巷道工程條件為,401104工作面運(yùn)輸巷正東側(cè)開口處為401盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷,南側(cè)為401104工作面回風(fēng)巷(未掘)。

2.3 巷道支護(hù)工藝

支護(hù)是當(dāng)前影響煤巷掘進(jìn)最主要的因素,主要包括臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)。對(duì)于臨時(shí)支護(hù),如果可以通過零支護(hù)或簡(jiǎn)單的防護(hù)滿足對(duì)掘進(jìn)工作面安全及后期圍巖控制的要求,將顯著提升成巷速度。對(duì)于永久支護(hù),如果頂板、兩幫均需要“掘一錨一”,掘進(jìn)速度將嚴(yán)重受到制約。采用合理的鉆錨一體化錨桿、鉆裝一體化液壓錨桿鉆架、長(zhǎng)鉆桿鉆進(jìn)能夠簡(jiǎn)化錨桿施工工藝,提升掘進(jìn)速度。此外,支護(hù)耗材和施工機(jī)具也是影響支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)短的因素。

孟村煤礦401104工作面運(yùn)輸巷臨時(shí)支護(hù)采用掘錨機(jī)搖臂上的臨時(shí)護(hù)板,配合掘錨機(jī)兩側(cè)鉆機(jī)托舉鋼筋網(wǎng)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。永久支護(hù)采用掘錨機(jī)機(jī)載鉆機(jī)配合風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)進(jìn)行支護(hù)。施工組織EJM2×170掘錨一體機(jī)安裝有6臺(tái)鉆機(jī),其中最前排1#、4#鉆機(jī)中心距為4 128 mm,用于施工頂板第1、2、7、8根錨桿及幫部第1、2、6、7根錨索;中間布置2臺(tái)頂部錨桿鉆機(jī),2臺(tái)鉆機(jī)中心距2 008 mm,用于施工頂板第3、4、5、6根錨桿及頂板錨索;后排布置2臺(tái)幫部錨桿鉆機(jī),鉆機(jī)中心距2 008 mm,用于施工幫部第3、8根錨索;人工使用錨桿鉆機(jī)支護(hù)頂板中間錨索及幫部下部2根錨索。臨時(shí)支護(hù)示意、鉆機(jī)布置及支護(hù)布局如圖2～圖4所示。

圖2 臨時(shí)支護(hù)示意

圖3 鉆機(jī)布置

圖4 支護(hù)布局

401104工作面運(yùn)輸巷百米支護(hù)耗材:循環(huán)進(jìn)尺1.4 m,雙循環(huán)支護(hù)頂板16根錨桿、7根錨索,幫部20根錨索。百米循環(huán)次數(shù)為71.43次,支護(hù)頂板錨桿1 142.88 根,頂板錨索500.01根,幫部錨索1 428.6根,施工機(jī)具。

2.4 勞動(dòng)組織方式

合理的勞動(dòng)施工組織可以起到事半功倍的效果,采用各工種平行與順序作業(yè)相結(jié)合的勞動(dòng)組織形式,可以減少作業(yè)人員,提高掘進(jìn)效率。孟村煤礦作業(yè)方式采用“三八”制作業(yè),三班掘進(jìn)。作業(yè)循環(huán)正常情況下,單循環(huán)進(jìn)尺為1.4 m,每次循環(huán)需要240 min,早班由于檢修、運(yùn)輸服務(wù)、接續(xù)管路等,掘進(jìn)一個(gè)循環(huán),中班、夜班各為2個(gè)循環(huán),圓班5個(gè)循環(huán),頂幫完整性較差時(shí),短掘短支。正規(guī)循環(huán)作業(yè)如圖5所示。

圖5 正規(guī)循環(huán)作業(yè)圖表

通過對(duì)孟村煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件的詳細(xì)調(diào)研,對(duì)比分析圍巖地質(zhì)力學(xué)條件、巷道賦存及工程條件、巷道支護(hù)工藝以及勞動(dòng)組織方式等影響因素,總結(jié)掘錨一體機(jī)應(yīng)用效果。其中圍巖地質(zhì)力學(xué)條件和巷道支護(hù)工藝是主要影響因素,勞動(dòng)組織方式是次要影響因素,巷道工程條件影響較小。

3 快速掘進(jìn)裝備系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 快速掘進(jìn)裝備應(yīng)用情況

EJM2×170掘錨一體機(jī)于2022年2月4日在孟村煤礦401104工作面運(yùn)輸巷正式投用,在地質(zhì)環(huán)境不太理想的情況下,巷道掘進(jìn)仍然取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,最高日進(jìn)尺6.9 m,日均進(jìn)尺6.5 m,而使用普通掘進(jìn)機(jī)在401104工作面運(yùn)輸巷同期施工中,最高日進(jìn)尺4.9 m,日均進(jìn)尺4.2 m,在割煤及支護(hù)速度方面,掘錨一體機(jī)也遠(yuǎn)超普通綜掘機(jī)。

3.2 快速掘進(jìn)裝備存在問題

隨著對(duì)快速掘進(jìn)系統(tǒng)裝備的進(jìn)一步使用與了解,以掘錨一體機(jī)為例的快速掘進(jìn)裝備在掘進(jìn)巷道時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯,但也暴露出一系列問題。如:①掘錨一體機(jī)設(shè)備對(duì)掘進(jìn)地質(zhì)條件適應(yīng)性較差;②遇到破碎頂板時(shí)掘錨機(jī)割煤藏刀環(huán)節(jié)會(huì)惡化頂板狀況;③掘錨機(jī)鉆機(jī)活動(dòng)范圍有限,支護(hù)受限,甩巷支護(hù)錨桿、錨索數(shù)量多;④掘錨機(jī)受限于鉆機(jī)布置位置,所施工錨桿、錨索角度與設(shè)計(jì)偏差較大,存在降低支護(hù)強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn);⑤掘錨機(jī)無專用機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)裝置,掛網(wǎng)、鋪設(shè)鋼帶環(huán)節(jié)復(fù)雜;⑥卸壓鉆機(jī)使用風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)扭矩不足無夾持器需要人工卸鉆桿,打孔時(shí)間較長(zhǎng)且打孔深度淺。

3.3 快速掘進(jìn)裝備改造

針對(duì)掘錨一體機(jī)設(shè)備在401104工作面運(yùn)輸巷使用中暴露出來的問題,對(duì)EJM2×170掘錨一體機(jī)在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)、鉆機(jī)等部件進(jìn)行了改造,具體改造方式及使用效果如下:①對(duì)3#、6#鉆機(jī)進(jìn)行改造增加鉆機(jī)左右旋轉(zhuǎn)幅度,從原先的只能支護(hù)頂部?jī)?yōu)化改為可以支護(hù)至幫部第4根錨索,甩巷支護(hù)錨桿、錨索數(shù)量顯著減少,減少空幫面積,提高巷道成形質(zhì)量;②將鉆機(jī)夾持器由原先的六邊改成四邊,方便拆卸鉆桿;③增加2個(gè)油缸式超前臨時(shí)支護(hù)裝置,可有效預(yù)防迎頭煤壁片幫;④將風(fēng)動(dòng)卸壓鉆機(jī)改為液壓鉆機(jī),卸壓鉆孔整體施工效率提高了2倍,大幅度縮短卸壓鉆孔的施工時(shí)間。

4 結(jié)論

(1)孟村煤礦使用普通綜掘機(jī)在401104工作面運(yùn)輸巷同期施工中,最高日進(jìn)尺4.9 m,日均進(jìn)尺4.2 m,掘錨機(jī)投入使用之后最高日進(jìn)尺6.9 m,日均進(jìn)尺6.5 m,掘進(jìn)效率超過普通綜掘機(jī)。

(2)隨著作業(yè)人員熟練程度的增加以及對(duì)掘錨機(jī)設(shè)備的改造升級(jí),最高日進(jìn)尺達(dá)到8.4 m,日均進(jìn)尺7.3 m,月進(jìn)尺218 m,達(dá)到預(yù)期結(jié)果,并且有進(jìn)一步提升的空間。

(3)綜合孟村煤礦快速掘進(jìn)裝備系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果與適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果,孟村煤礦快速掘進(jìn)裝備在401104工作面運(yùn)輸巷適用,可以進(jìn)一步推廣。