新窯煤礦巖巷掘進(jìn)裝備的應(yīng)用分析

張健， 苗向民， 李嬌龍

(華亭煤業(yè)集團(tuán) 新窯煤礦有限責(zé)任公司， 甘肅 平?jīng)?744100)

0 引言

新窯煤礦位于甘肅省崇信縣新窯鎮(zhèn)，隸屬于華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。礦井一直存在巖巷掘進(jìn)效率低、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差、人員勞動(dòng)強(qiáng)度高等突出問(wèn)題。巖巷掘進(jìn)過(guò)程中破巖、支護(hù)及矸石的裝運(yùn)等環(huán)節(jié)，一直是礦井的重點(diǎn)研究對(duì)象[1]。從鉆爆法炮掘到綜合機(jī)械化掘進(jìn)，從鑿巖機(jī)、鑿巖鉆車、挖掘式裝載機(jī)、側(cè)卸式裝巖機(jī)到鉆裝機(jī)、鉆裝錨機(jī)組等裝備，新窯煤礦一直致力于礦井巖巷掘進(jìn)裝備的應(yīng)用探索。要達(dá)到巷道的快速高效施工，就必須要使施工過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)都能夠用時(shí)最少、緊密銜接、合理配置，從而最大限度地提高巷道單進(jìn)水平和勞動(dòng)效率、改善作業(yè)環(huán)境、提高工程質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。因此，對(duì)巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)在新窯煤礦的適應(yīng)性分析研究顯得至關(guān)重要。

1 地質(zhì)條件

近幾年，新窯煤礦巖巷掘進(jìn)巷道主要布置在煤5層底板巖石中，影響巖巷掘進(jìn)的最主要因素就是圍巖參數(shù)和水。煤5層底板圍巖主要為砂質(zhì)泥巖，淺灰色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，滑面發(fā)育，含少量白云母碎片，夾細(xì)粒砂巖薄層，含少量植物莖部化石，平均厚度為9.5 m；圍巖巖體質(zhì)量指標(biāo)值在0.071 0～0.195 9之間，屬巖體質(zhì)量差～中等的Ⅳ-Ⅲ類巖體；飽和單軸抗壓強(qiáng)度在2.39～15.60 MPa之間，屬極軟-較軟巖類;軟化系數(shù)平均值為0.24，屬耐風(fēng)化耐水浸能力差的軟化巖石。巷道在掘進(jìn)中主要水源為煤5層底板滲水及生產(chǎn)用水，涌水量為0.5～2.0 m3/h。水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，周圍無(wú)采動(dòng)影響，周圍無(wú)老空水，無(wú)導(dǎo)水構(gòu)造，掘進(jìn)范圍無(wú)地質(zhì)鉆孔，無(wú)鉆孔水。

2 綜合機(jī)械化掘進(jìn)

新窯煤礦800軌道運(yùn)輸巖巷主要采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，配置EBZ260C型懸臂式巖巷掘進(jìn)機(jī)+DZQ80/35/15型皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)+MGC1.1-6型固定箱式礦車進(jìn)行矸石轉(zhuǎn)運(yùn)。因?yàn)闆](méi)有形成完善的排矸系統(tǒng)，所以造成巖石切割時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)掘出矸作業(yè)時(shí)間平均為150 min，出矸效率較低，每循環(huán)作業(yè)時(shí)間在6 h左右，每循環(huán)掘進(jìn)0.8 m，每天掘進(jìn)4個(gè)循環(huán)共3.2 m。

綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝具有較高的自動(dòng)化水平[2]，也是現(xiàn)階段掘進(jìn)速度較快的一種方法。但由于受巖石硬度、現(xiàn)場(chǎng)粉塵防治等因素制約，該工藝未能取得較為廣泛的應(yīng)用,主要表現(xiàn)在：

1) 破巖石時(shí)巖塵大，雖然現(xiàn)場(chǎng)采用了1套KCS-310型濕式除塵風(fēng)機(jī)，但除塵效果仍不理想；

2) 在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中噴霧孔易堵塞，噴霧降塵效果差；

3) 掘進(jìn)時(shí)工作面積水不能及時(shí)排出，加上圍巖耐水浸能力差，會(huì)產(chǎn)生大量淤泥，易使掘進(jìn)機(jī)陷入底板，行走困難；

4) 掘進(jìn)時(shí)巖塵、水霧交叉，影響掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的視線，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；

5) 掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，造成油溫過(guò)高，產(chǎn)生抖動(dòng)，且容易發(fā)生卡鏈、截齒損耗大等問(wèn)題；

6) 掘進(jìn)機(jī)缺少架棚、打錨桿和錨索的機(jī)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化。

雖然巖巷掘進(jìn)機(jī)配套液壓錨桿鉆車也在大部分礦井得到了應(yīng)用[3]，但存在一定的空頂作業(yè)空間，適用于巖性較好的巷道。由于新窯煤礦煤5層頂板屬極軟-較軟巖類，易冒落，滿足不了空頂作業(yè)，故此配套系統(tǒng)無(wú)法有效應(yīng)用。巖巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)裝備技術(shù)有待發(fā)展研究[4]。

3 鉆爆法炮掘

目前我國(guó)煤礦巖巷掘進(jìn)絕大部分以鉆爆法為主，配套其他機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行施工。相比綜合機(jī)械化掘進(jìn)，其存在如下優(yōu)勢(shì)：采用中深孔一次爆破技術(shù)，炮眼利用率可達(dá)90%以上，每循環(huán)進(jìn)度1.2 m以上；全斷面一次成巷，一次打眼，一次起爆，一次支護(hù)；濕式打眼，巖塵小，工作面積水能夠及時(shí)排出，淤泥減少；可采用巖巷排矸組合系統(tǒng)，出矸石效率高。

3.1 鑿巖機(jī)+裝巖機(jī)

氣腿式鑿巖機(jī)配合耙斗式裝巖機(jī)作業(yè)技術(shù)是我國(guó)運(yùn)用最早的一種巖巷掘進(jìn)技術(shù)。但耙斗式裝巖機(jī)上的鋼絲繩存在極大的安全隱患，國(guó)家相關(guān)法規(guī)也對(duì)耙斗式裝巖機(jī)的使用做出了嚴(yán)格的限制，目前已經(jīng)全部淘汰[5]。新窯煤礦750回風(fēng)大巷巖巷掘進(jìn)采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)+MGC1.1-6型固定箱式礦車進(jìn)行巷道爆破、支護(hù)、裝載及矸石轉(zhuǎn)運(yùn)。750運(yùn)輸大巷巖巷掘進(jìn)采用YT-28型氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)+ZCY100R型側(cè)卸式裝巖機(jī)+MGC1.1-6型固定箱式礦車進(jìn)行巷道爆破、支護(hù)、裝載及矸石轉(zhuǎn)運(yùn)。但鑿巖機(jī)爆破和支護(hù)打眼耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，機(jī)械化程度較低，每循環(huán)耗時(shí)約240 min。兩種掘進(jìn)方式的排矸系統(tǒng)也不完善，矸石轉(zhuǎn)運(yùn)耗時(shí)約80～100 min不等，效率低，機(jī)械化程度較低，造成掘進(jìn)每循環(huán)總耗時(shí)約8 h，每天三循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，不能滿足快速掘進(jìn)的要求。同時(shí)，挖掘裝載機(jī)和側(cè)卸式裝巖機(jī)相比，挖掘裝載機(jī)雖然體積大，除矸不徹底，但可配套轉(zhuǎn)載機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸，出渣效率高，可適用于±18°坡度的巷道；側(cè)卸式裝巖機(jī)雖然體積小、機(jī)動(dòng)靈活，除矸徹底，但不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)，出渣效率低，且只適用于平巷。兩種裝巖機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的巖巷掘進(jìn)裝備。

3.2 液壓鉆車+裝巖機(jī)

液壓鉆車配套裝巖機(jī)是鉆爆法巖巷快速掘進(jìn)使用最為廣泛的掘進(jìn)工藝。該作業(yè)方式與傳統(tǒng)鑿巖機(jī)作業(yè)方式相比較，解決了爆破和支護(hù)打眼速度慢、效率低的問(wèn)題。新窯煤礦計(jì)劃配備CMJ2-18型掘進(jìn)鉆車+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)/ZCY120R型側(cè)卸式裝巖機(jī)+DZQ80/35/15型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行巷道爆破、支護(hù)、裝載及矸石轉(zhuǎn)運(yùn)，但這種配套方式的缺點(diǎn)是鉆車和裝巖機(jī)在工作切換時(shí)需要在巷道內(nèi)錯(cuò)車。圖1、圖2和圖3為CMJ2-18型掘進(jìn)鉆車+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)的鉆孔、爆破和裝渣狀態(tài)。由圖1、圖2、圖3可以看出，巖巷掘進(jìn)工作面在鉆孔、爆破及裝渣狀態(tài)交替循環(huán)過(guò)程中存在錯(cuò)車問(wèn)題，錯(cuò)車時(shí)還要讓開(kāi)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，對(duì)巷道寬度要求較高，且錯(cuò)車時(shí)存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理難度大。

3.3 鉆裝機(jī)組

鉆裝機(jī)組主要是集鑿巖鉆孔(爆破眼)、掛網(wǎng)支護(hù)、扒渣轉(zhuǎn)運(yùn)等功能于一體的巖巷快速掘進(jìn)先進(jìn)裝備[6]，配備有兩臂兩鉆，可以全方位360°旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速爆破打眼，同時(shí)配套二運(yùn)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，與輸送帶搭接，可有效運(yùn)矸，掘進(jìn)作業(yè)安全、高效[7]。

圖1 CMJ2-18型掘進(jìn)鉆車+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)鉆孔狀態(tài)

圖2 CMJ2-18型掘進(jìn)鉆車+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)爆破狀態(tài)

圖3 CMJ2-18型掘進(jìn)鉆車+ZWY-120/55L型履帶式挖掘裝載機(jī)裝渣狀態(tài)

圖4、圖5和圖6分別為CMZY2-150/20型巖巷鉆裝機(jī)組的鉆孔、爆破和裝渣狀態(tài)。由圖4、圖5、圖6可以看出，鉆裝機(jī)在巖巷掘進(jìn)工作面鉆孔、爆破及裝渣狀態(tài)交替循環(huán)過(guò)程中，不存在錯(cuò)車現(xiàn)象，可配合二運(yùn)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，與輸送帶搭接，可有效運(yùn)矸，掘進(jìn)作業(yè)安全、高效[8]。

圖4 CMZY2-150/20型巖巷鉆裝機(jī)組的鉆孔狀態(tài)

圖5 CMZY2-150/20型巖巷鉆裝機(jī)組的爆破狀態(tài)

3.4 鉆裝錨機(jī)組

鉆裝錨機(jī)組是在鉆裝機(jī)組的基礎(chǔ)上增加了兩臺(tái)機(jī)載錨桿鉆機(jī)，兩臂四鉆結(jié)構(gòu)。其中兩臺(tái)為爆破炮眼鑿巖機(jī)構(gòu)，用作沖擊鑿巖；另外兩臺(tái)為錨桿鉆機(jī)，用作螺旋鉆進(jìn)，動(dòng)力源全部為液壓系統(tǒng)。兩臂四鉆結(jié)構(gòu)均可全方位360°旋轉(zhuǎn)，無(wú)死角鉆孔，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鉆臂(四鉆)同時(shí)打爆破眼孔或錨桿眼，使工作面迎頭同時(shí)有兩臺(tái)鑿巖鉆機(jī)或錨桿鉆機(jī)作業(yè)，有效提高了打眼速度。打眼放炮結(jié)束后，利用鉆裝錨機(jī)組上的反鏟機(jī)構(gòu)扒臂扒取遠(yuǎn)處的巖石，送入刮板運(yùn)輸機(jī)，刮板運(yùn)輸機(jī)從尾部將巖石卸入礦車或帶式運(yùn)輸機(jī)中。鑿巖鉆機(jī)和錨桿鉆機(jī)分別為兩套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)互換使用，從而保證了整個(gè)鉆裝機(jī)的可靠性。配備的機(jī)載錨桿機(jī)，額定扭矩為200 N·m，接近普通頂錨桿機(jī)的2倍(普通頂鉆120 N·m)，超過(guò)普通幫鉆的兩倍(普通幫鉆90 N·m)，注錨(索)更加高效。

鉆裝錨機(jī)組配套梭式礦車、膠帶輸送機(jī)作業(yè)是一種新型的巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)[9]。該作業(yè)方式集爆破和支護(hù)快速打眼、支護(hù)效率高、機(jī)械化程度高于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)巖巷的快速掘進(jìn)，減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，在我國(guó)應(yīng)用逐漸增多，有很好的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合新窯煤礦五采區(qū)巖巷實(shí)際條件，計(jì)劃采用CZMY2-105/25型鉆裝錨機(jī)組+DZQ80/35/15型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)+SD-20/6B型自卸式梭式礦車掘進(jìn)工藝，完善排矸系統(tǒng)，將矸石轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間縮短至50 min以內(nèi)，從而保證每循環(huán)作業(yè)時(shí)間縮短至原來(lái)的一半，掘進(jìn)進(jìn)尺由原來(lái)的每天2.4 m提高至4.0 m以上，實(shí)現(xiàn)高效、快速、安全的巖巷掘進(jìn)。

4 結(jié)論

鉆裝錨機(jī)組技術(shù)條件成熟，是目前較為先進(jìn)的巖巷快速掘進(jìn)設(shè)備，但具體的使用仍取決于礦井自身的地質(zhì)因素、現(xiàn)場(chǎng)管理因素和其他系統(tǒng)的配套能力。與傳統(tǒng)的巖巷掘進(jìn)裝備相比，此設(shè)備可大幅度提高掘進(jìn)效率，減少作業(yè)人員，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。隨著礦井自動(dòng)化、信息化、智能化水平的不斷提高，鉆裝錨機(jī)組的部分技術(shù)性能也有待提高，如鉆臂操作緩慢、鉆頭在工作面指定位置對(duì)眼時(shí)精度要求高、操作人員距離工作面迎頭較遠(yuǎn)、對(duì)眼效率較低等。可考慮增加PLC控制系統(tǒng)，使用遙控裝置代替操作臺(tái)控制，實(shí)現(xiàn)根據(jù)巷道尺寸和施工工藝進(jìn)行自動(dòng)對(duì)眼，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。