18503煤巷掘進快速施工方案優化

白劍軍

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

本文以斜溝煤礦18503工作面為研究對象，以巷道掘進施工時間最小化為原則，提出多種施工工序交叉平行作業的施工方法，對掘進施工工藝進行優化，對掘進設備進行改進，以加快成巷效率，降低作業成本。

1 工程概況

斜溝煤礦18503工作面位于店上村西北角北側，橫穿柳樹溝村，位于楊家溝南側，地面標高950～1208m，工作面標高750～944m，工作面走向長度7194m，傾斜長度294.6m。煤層平均厚度3.76m，煤層傾角9.7°，煤層為8#煤，表觀呈塊狀或條帶狀，半暗淡型。煤層中含2層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩定，厚0.05～0.30m，下層夾矸厚0.10～0.30m，局部尖滅。18503工作面直接頂為泥巖，平均厚度1.88m，呈灰色或灰黑色，性脆易碎，可見植物化石，局部相變為炭質泥巖；基本頂為中粗粒砂巖，呈灰白色，平均厚度13.90m，成分以石英為主，泥質膠結；直接底為泥巖，平均厚度1.42m，呈灰色或灰黑色，含植物根、莖化石，有時含砂質或泥質；基本底為細中粗粒砂巖，呈灰白色，平均厚度10.17m，成分以石英、長石為主。工作面巷道斷面為矩形，巷道寬5.0m，高3.9m，支護參數如圖1所示。由于18503工作面在巷道掘進過程中片面強調了巷道支護安全，錨桿支護密度較大，造成了掘進效率低，時間成本急劇增高。本文以掘進工作面作業時間最小化為原則，采用多種施工工序交叉平行作業的方法對掘進施工工藝進行優化，以提高成巷速度，降低時間成本。

2 原支護工藝分析

2.1 支護工藝用時實測

錨桿、錨索的安裝是在巷道支護中所需時間最長的工序，現場實測了頂板錨桿、幫部低位錨桿、幫部肩窩錨桿及頂板錨索的安裝時間如表1所示。

施工現場采用兩臺氣動式錨桿鉆機同時啟動，對頂板錨桿進行鉆孔施工。在頂板錨桿施工結束后，采用一臺氣動式幫錨桿鉆機和一臺支腿式鑿巖機，對掘進工作面幫部肩窩錨桿、幫部低位錨桿進行施工，最后安裝頂板錨索，每個進尺安裝兩排錨桿。施工流程如圖2（a）所示，臨時支護施工流程圖如圖2（b）所示。

圖1 巷道支護參數示意圖

表1 錨桿、錨索安裝時間

圖2 施工流程示意圖

2.2 制約支護速度因素分析

設備影響因素：由表1可以看出，受到氣動式錨桿鉆機自身性能的限制，錨桿、索鉆孔消耗時間最長，這是影響成巷效率最為關鍵的因素。

工藝影響因素：從圖2（b）可以看出，臨時支護總共分為三個步驟，太過于繁瑣，對巷道掘進速率也有很大影響。除此之外，錨索鉆孔在錨桿安裝之后，由于錨索鉆孔時間較長，因此對掘進速率也有很大影響。

3 支護工藝優化

3.1 支護設備優化

減少鉆孔時間是提高巷道掘進速率最為有效的方法。淘汰現有的氣動式錨桿鉆機，將其更換為基于EBZ220升級改造的液壓掘、護、錨一體機，其主要技術參數為：

（1）將現有掘進機的截割部替換為具有錨、護裝置的截割部，該設備的錨、護裝置具有可折疊性，相比于原有掘進機，該掘進機的整體長度并沒有增加，如圖3所示。

（2）伸縮主臂位于截割部的上方，固定支點位于截割部的兩側，端部與倒U形護架通過鉸鏈連接；伸縮主臂與錨桿鉆機之間用翻轉油缸連接，以實現錨桿鉆機的翻轉。

（3）倒U形護架可實現兩幫、頂板防護的動作，也可以安裝臨時支護裝置，代替原有的人工前探梁臨時支護裝置，臨時支護裝置長度可達2.0～5.0m，兩幫護幫高度2.0m，寬度為1.0m。

（4）倒U形架體左右兩側均設有橫移臂，橫移臂與油缸相連，并在橫移油缸的作用下可以實現錨桿鉆機的左右移動，移動范圍大約為1.4～2.8m。除此之外，在橫移臂上安裝有旋轉油缸用來實現錨桿鉆機的旋轉，旋轉角度約120°。

（5）為了提高鉆孔效率及成孔質量，錨桿鉆機配備大功率扭矩馬達，錨桿鉆機最大扭矩可達300N·m，最大推進力約為25kN，最大轉速500r/min。

（6）液壓掘、護、錨一體機可用于矩形、梯形和拱形等多種類型的巷道斷面，掘進寬度范圍可達3.5～5.0m，高度可達2.4～4m。

圖3 掘、護、錨一體機結構示意圖

3.2 支護工藝優化

（1）臨時支護工藝優化

在截割部完成割煤、出煤后，改進的掘、護、錨一體機可以實現同時搭接頂板、幫部金屬網，并將頂板、幫部臨時支護裝置伸出，取代原先臨時支護過程，進行頂板、幫部臨時支護。

（2）永久支護工藝優化

① 錨桿支護工藝優化

掘、護、錨一體機可實現同時安裝頂板第一排第1根、第4根錨桿，安裝完成后，向右移動掘、護、錨一體機端部安裝第2根、第5根，安裝完成后繼續向右移動一體機端部安裝第3根、第6根錨桿，施工順序如圖4（a）所示。頂錨桿施工完成后，同時施工兩幫最上部兩根傾斜錨桿，然后施工兩根水平錨桿，優化后掘進班錨桿安裝示意圖如圖4（b）所示。為提高掘進效率，剩余錨桿將留給檢修班負責補齊。第一排錨桿安裝完成后，向前推進掘、護、錨一體機重復第一排錨桿的施工及安裝工序，安裝第二排所有錨桿。

圖4 錨桿施工作業及安裝示意圖

② 錨索支護工藝優化

由于錨索的剛度較大而延伸率較低，在原有的支護工藝中，錨桿、索基本同時安裝，造成錨桿、錨索同時進行變形，不能充分發揮錨索強度大的作用，造成錨索過早破斷，失去承載能力。基于掘進工作面的地質條件，巷道頂板以中粗粒砂巖為主，比較堅硬，在錨桿安裝后，短時間內不會發生錨固失效現象。為充分發揮錨桿、錨索之間的變形協調支護作用，將錨索安裝作業放置在檢修班進行，具體施工流程如圖5所示。

圖5 巷道支護施工流程圖

（3）多工序交叉平行作業

為了能盡可能多的提高巷道掘進速率，施工工序應在不影響主要工序的前提下，實現交叉平行作業。在掘進機割煤時，運料工應將錨桿、托盤等支護所用的材料運至作業面附近安全區域，為巷道支護做準備。在掘進機完成掘進后，施工人員開始錨桿支護作業，此時，掘進機司機開始對掘進機進行檢查維護，保證掘進機接下來的正常作業，也能減少檢修班的工作量提高檢修效率。當檢修班對機電設備進行檢查維護時，施工員開始安裝錨索，延長風管、水管等作業。

3.3 優化效果評價

為檢驗施工工序優化效果，對優化后施工工序作業時間及巷道表位位移進行現場實測，施工方案優化前后一個掘-支循環內各工序用時如表2所示。

表2 施工方案優化前后各工序所需時間

由表2可知，施工方案優化后，每個掘-支循環時間降低70min，平均每個作業班增加2到3個循環，充分提高了巷道掘進速率。另外，施工方案優化后，施工人員的勞動強度大大降低，提高了工人的工作積極性。

4 結論

工程實踐表明：優化后的施工工序能夠有效降低循環作業時間且每個工班可以增加兩到三個作業循環，大幅度提高巷道掘進速率；施工設備的改進大大降低了勞動強度，提高了工人的勞動積極性，說明了施工方案優化的合理性。