礦井堅硬巖層巷道快速掘進技術(shù)探析

王浩偉

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部趙莊二號井，山西 長治 046000）

0 引言

當前礦井煤炭普遍采用人工鉆爆法（95%）掘進硬度達6 以上的巖層巷道，有效降低作業(yè)人員勞動強度，每月平均可掘進70～80 m。但是實際礦井開采作業(yè)環(huán)境惡劣，采用人工鉆爆法安全風險大、粉塵含量高，掘進速度慢、截割齒消耗大、成本高，不利于礦井高效生產(chǎn)。基于此，山西某礦引入綜合巷炮眼鉆機、運料、挖掘、圍巖支護的鉆裝掘錨機，并結(jié)合深孔爆破技術(shù)建立堅硬巖層快速掘進體系，實現(xiàn)高效掘進硬巖層巷道。

1 南三采區(qū)

山西某礦南三采區(qū)需掘進一條長2368 m 的巷道（該巷道為25 m 砂巖層，位于5 號煤層底板下方），巷道直墻半圓拱斷面27.58 m2，需掘進巷寬、高分別為6.3 m、5.05 m。項目中采用錨網(wǎng)索噴進行回風巷圍巖支護，以800 mm、800 mm 的間排距布置18 根錨桿作為斷面；按照1600 mm、800 mm 的間排距布置5 根錨索。完成支護后，對巷道表層進行混凝土噴射，噴射厚度為150 mm；底板地坪混凝土噴射100 mm，均采用C25 混凝土[1-2]。該項目中綜合1.5 t 礦車、型號為DSJ-800 的帶式輸送機、翻料機以及120 型耙矸機等組合出矸掘進中所形成的矸石。由于砂巖層的堅硬程度較大，導致人工鉆爆法掘進巷道效率低，每月平均掘進70 m，實際施工需要較多作業(yè)人員，項目勞動強度大?；诖?，為了促進機械化巷道掘進引入CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機，并利用中深孔爆破破巖。實踐表明，掘進效率顯著提高。

2 巷道掘進方案

2.1 CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機概況

由于我國復雜的煤礦地質(zhì)條件，加之落后的傳統(tǒng)掘進設備，導致巷道掘進工作面臨著效率低下、機械化程度低等困境。傳統(tǒng)模式下，懸臂式掘進機與單體錨桿機協(xié)作，共同開展掘進工作，不符合快速發(fā)展的機械化、智能化潮流，出現(xiàn)了很多弊端。為了解決傳統(tǒng)掘進設備帶來的問題，提高掘進工作效率，目前國內(nèi)外大部分掘進設備制造企業(yè)創(chuàng)新、升級、研發(fā)出懸臂式掘錨一體式設備，以懸臂式掘進機為主體[3-4]。同時在掘進機的履帶上方、掘進機兩側(cè)附加機載錨桿鉆機的錨臂，掘進機和機載錨桿機的分工明確，交替作業(yè)，實現(xiàn)了全方位的機械化作業(yè)。該設備的應用，一定程度上提升了掘進工作開展的速度，促進了掘進工作的智能化和機械化發(fā)展，改善了掘進工作的開展環(huán)境，提高了掘進工作的效率。

機載錨桿鉆機的伸縮臂是該設備開展工作的主體構(gòu)件，主要功能是靈活移動錨桿鉆機、固定錨桿支護孔位等。施工時通過油缸配合錨臂的升降、擺動等操作，實現(xiàn)伸縮臂的靈活移動，縮短錨桿鉆機與施工對象間的距離，便于開展錨桿支護工作，伸縮臂的靈敏度在一定程度上決定了錨桿支護工作的效率。按照支護工作量與錨桿（索）數(shù)量的比例關(guān)系，支護工作對錨桿鉆機的伸縮臂提出了相應的要求，主要體現(xiàn)在伸縮臂活動的速度、靈敏度、準確率、耐用性、剛度、硬度等方面[5-6]。

完成掘進設備的支護工作后，為了避免錨桿鉆機的伸縮臂與掘進機控制臺產(chǎn)生碰撞，設備生產(chǎn)廠家需要擴大錨桿鉆機伸縮臂與回轉(zhuǎn)臺間的距離，根據(jù)設備的整體結(jié)構(gòu)，還需要考慮伸縮臂的最大伸縮距離以及伸縮臂的剛度和靈敏度。通常情況下，伸縮臂的最大伸縮距離大約要控制在50 cm，設備的結(jié)構(gòu)主要分為新型單臂伸縮臂和四連桿式伸縮臂，其他的結(jié)構(gòu)形式較為少見[7]。

CMZY4-200/35 型號的鉆裝掘錨機為模塊化組合結(jié)構(gòu)如圖1 所示，功能較為豐富，主要包括鉆孔鉆進、出渣、圍巖支護，可實現(xiàn)智能布孔、精準定位。設備運行時基于分組控制，在液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的協(xié)同作用下可開展圍巖支護、外運矸石、鉆進炮眼等系列作業(yè)。

圖1 CMZY4-200/35 鉆裝錨掘機結(jié)構(gòu)

2.2 中深孔爆破技術(shù)

綜合考慮南三采區(qū)集中回風巷的基本情況后，選擇預裂爆破技術(shù)破巖：首先在輪廓線布置周邊眼；其次引爆周邊眼（需嚴格按照要求使用煤礦許用炸藥）。周邊眼被引爆后，形成破裂面，破裂面相互貫通；第三步主體爆破，可采用掏槽眼的方法，并對堅硬的巖體進行碎碎掘進。從工藝方面分析，中深孔爆破需要滿足下述要求[8]：本項目中布置間距450 mm 布置周邊眼。在正常情況下，周邊眼間距宜控制在250～450 mm。按照450～500 mm 的間距布置二圈眼，二圈眼到周邊眼的距離為500 mm。該距離一般以1～1.3 倍周邊眼間距為宜。將尺寸為Φ25 mm 的小藥卷裝入周邊眼內(nèi)，結(jié)構(gòu)為不耦合正向連續(xù)裝進，需裝入70～150 g 藥卷。

引爆周邊眼時所采用的電備管必須為同一段毫秒電雷管，分2 次引爆巷道頂部炮眼。第一次起爆二圈眼、內(nèi)炮眼先裝藥；第二次爆破周邊眼及二圈巖裝藥。巖石經(jīng)過2 次爆破后，表現(xiàn)為光面層。

2.3 掘進技術(shù)方案

該項目在打眼、出矸、支護中均使用CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機，整個項目為全斷面中深孔爆破掘進。掘進迎頭處以正向裝藥中深深炮眼，毫秒延時電雷管引爆1～5 段，分裝裝藥、分次爆破?，F(xiàn)場施工中，爆破一班主要負責鉆進炮眼、退機，在安全區(qū)域開展爆破作業(yè)；支護一班負責板錨桿施工、錨索等，所使用的設備為MQT-130 鉆機；平行出矸，使用的設備為CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機。出矸后，支護二班負責施工巷幫錨桿，所使用的設備型號為CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機。掘進過程中通過帶式輸送機將迎頭產(chǎn)生的矸石輸送至臨時矸石倉，并由礦車運輸，快速運出矸石。

3 應用效果分析

引入堅硬巖巷快速掘進技術(shù)后，每月可掘進95.6m，每月掘進速度提高了36.6%（傳統(tǒng)方法平均每月可掘進70 m）。此外，相較于傳統(tǒng)人工鉆爆法，該技術(shù)可顯著改進作業(yè)環(huán)境，緩解現(xiàn)場作業(yè)人員工作壓力、勞動強度。

據(jù)悉，應用堅硬巖巷快速掘進技術(shù)后，南三采區(qū)集中回風巷現(xiàn)場作業(yè)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)點：

1）作業(yè)點人數(shù)有所降低。如采用傳統(tǒng)掘進法，每個圓班需要50 名作業(yè)人員；引入該技術(shù)后每個班組只需要32 個人即可完成巷道掘進。作業(yè)人員普遍反映引入CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機后，顯著降低勞動強度[9]。

2）掘進速度得以提升。傳統(tǒng)的掘進方法，平均每月可進尺掘進巷道70 m；引入快速掘進技術(shù)之后，每月掘進速度提升了25.6 m，速度提升了36.6%。綜上，運用快速掘進技術(shù)顯著提高單月掘進進尺，更有利于開拓礦井。

3）現(xiàn)場采用自動化程度高。鉆裝掘錨機型號為CMZY4-200/35，該設備占用空間小，工作簡便，可減少掘進迎頭供電線路，后續(xù)維護簡便。成本方面，本項目掘進回風巷平均成本為7081 元/m；其中掘進回風巷需要2586 元/m 人工成本、1470 元/m 機械成本、3025 元/m 材料成本。綜上，采用堅硬巖巷快速掘進技術(shù)綜合成本更低，為南三采區(qū)集中回風巷掘進節(jié)省大量成本。

4 結(jié)語

如采用傳統(tǒng)人工鉆爆法，不利于南三采區(qū)集中回風巷施工，存在掘進進尺速度慢、作業(yè)量大、環(huán)境惡劣等問題，影響礦井南三采區(qū)施工進程。因此，決定引入工作可靠、自動化、功能齊全的CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機礦井南三采區(qū)的巷道，并綜合運用中深孔爆破。實踐表明該采區(qū)通過引入堅硬巖層巷道快速掘進技術(shù)顯著減少現(xiàn)場工作量，包括掘進巷道、輔助運輸?shù)?。每月掘進巷道95.6 m，單月掘進速度提升了36.6%，作業(yè)施工人數(shù)減少36%，僅需32 人就可完成原來50 人才可完成的工作。綜上，堅硬巖巷快速掘進技術(shù)可顯著提高炮眼施工、巷道圍巖支護效率。此外，創(chuàng)新、升級、研發(fā)的新型懸臂式掘錨機的鉆臂，為新型掘進設備在施工中的推廣和應用貢獻了力量，推動新型掘進設備淘汰傳統(tǒng)懸臂式掘進機與單體錨桿機協(xié)作模式的速度，一定程度上奠定了掘進工作機械化、智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，有利于錨桿（索）支護工作的開展，提高工作效率。