工作面快速掘進(jìn)工藝及設(shè)備優(yōu)化研究

李軍軍

（晉能控股集團(tuán)大西煤礦，山西 陽(yáng)城 048105）

引言

目前，在采煤系統(tǒng)設(shè)備的大力支撐下工作面回采速度和效率得到顯著提升，但是我國(guó)掘進(jìn)設(shè)備發(fā)展相對(duì)滯后，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)采煤和掘進(jìn)的順利銜接[1]。以大西煤礦為例，當(dāng)前工作面采用6臺(tái)風(fēng)鉆進(jìn)行打眼操作，采用耙斗式耙裝機(jī)進(jìn)行裝巖操作，所采用的運(yùn)輸設(shè)備為1.5 t的標(biāo)準(zhǔn)礦車，在實(shí)際應(yīng)用中存在施工效率低、進(jìn)度慢的問題。因此，為提升工作面的掘進(jìn)效率，需對(duì)當(dāng)前的掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行重新配置，并對(duì)其對(duì)應(yīng)掘進(jìn)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工作面掘進(jìn)設(shè)備的優(yōu)化

1.1 煤礦掘進(jìn)裝備現(xiàn)狀分析

1）當(dāng)前掘進(jìn)裝備的局限性表現(xiàn)在生產(chǎn)的狀態(tài)為施工進(jìn)度慢。雖然當(dāng)前我國(guó)掘進(jìn)工作面的設(shè)備種類較多，但各個(gè)設(shè)備的性能較差，存在自動(dòng)化水平較低、設(shè)備維修率高、維系周期長(zhǎng)以及設(shè)備成本過大等問題。

2）與掘進(jìn)機(jī)相配套的設(shè)備主要以錨桿鉆機(jī)為主。目前，掘進(jìn)工作面所配置的錨桿鉆機(jī)為單體型，其勞動(dòng)效率低下。具體表現(xiàn)為：當(dāng)掘進(jìn)工作面巖層特性較好時(shí)，可通過增加空頂距的措施消除單體錨桿支護(hù)效率低下的問題；當(dāng)掘進(jìn)工作面頂板或兩幫條件不好時(shí)，為保證實(shí)際施工過程中的安全性，需縮短空頂距，從而進(jìn)一步加劇了單體錨桿支護(hù)效率低的問題[2]。

總的來講，目前以手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、耙式裝載機(jī)以及小礦車為主的掘進(jìn)裝備存在掘進(jìn)效率低下，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、循環(huán)時(shí)間增加且各個(gè)工序之間配合復(fù)雜困難的問題，無法從真正意義上實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與采煤的無縫、高效銜接。

1.2 掘進(jìn)設(shè)備的優(yōu)化

1.2.1 打眼工序設(shè)備的優(yōu)化

本工程采用CMJ系列的液壓鉆車取代手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，具體打眼的設(shè)備型號(hào)為CMJ2-27。該裝備具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能豐富、效率高的優(yōu)勢(shì)。通過模塊設(shè)計(jì)的理念具有方便拆卸、裝配的優(yōu)勢(shì)。可對(duì)六個(gè)自由度方向的巖層進(jìn)行打眼操作且具有補(bǔ)償定位的功能，所選型CMJ2-27的具體參數(shù)如表1所示。

表1 CMJ 2-27液壓鉆車的技術(shù)參數(shù)

1.2.2 裝巖工序設(shè)備的優(yōu)化

結(jié)合大西煤礦所掘進(jìn)傾斜工作面的走向長(zhǎng)度、傾斜角以及斷面實(shí)際大小，采用LWLX-180履帶挖掘裝載機(jī)（其主要技術(shù)參數(shù)見表2）取代原耙式裝載機(jī)。所選型的履帶挖掘裝載機(jī)可對(duì)傾斜角度≤25°的工作面上的巖石進(jìn)行裝載。所選型的履帶挖掘裝載機(jī)在先導(dǎo)閥的控制下系統(tǒng)的沖擊力較小；具有獨(dú)立的風(fēng)冷裝置可對(duì)油溫進(jìn)行高效降溫；此外，該裝載機(jī)具有拔取范圍廣、清理效率高的優(yōu)勢(shì)，大大減小了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

表2 LWLX-180履帶挖掘裝載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3 運(yùn)輸工序設(shè)備的優(yōu)化

為解決小礦車運(yùn)輸設(shè)備效率低、能力差的問題，本工程選用80QZ50橋架裝載機(jī)對(duì)工作面的巖石進(jìn)行運(yùn)輸。80QZ50橋架裝載機(jī)具有系統(tǒng)輕巧、運(yùn)輸能力大、安裝拆卸方便等優(yōu)勢(shì)，而且該橋架裝載機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。80QZ50橋架裝載機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下頁(yè)表3所示。

3 掘進(jìn)工藝的優(yōu)化研究

通過上文中對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化可知，采用CMJ2-27液壓鉆車完成工作面的打眼操作；采用LWLX-180履帶挖掘裝載機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)巖石的裝載工作；采用80QZ50橋架裝載機(jī)完成巖石的運(yùn)輸。本節(jié)將著重對(duì)打眼工藝、支護(hù)工藝和裝巖運(yùn)輸工藝進(jìn)行優(yōu)化。

表3 80QZ50橋架裝載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.1 掘進(jìn)工藝的優(yōu)化

3.1.1 打眼工藝的優(yōu)化

打眼工藝的關(guān)鍵在于炮眼尺寸的確定和具體的爆破方案和起爆方式。結(jié)合所選型CMJ2-27液壓鉆車鉆頭的尺寸和釬桿的長(zhǎng)度確定炮眼的深度：其中拋渣眼深度為3.1 m，其余炮眼深度為3 m。

為提升所鉆炮眼的爆破效率，將炮眼平行集中布置，并將多個(gè)炮眼視為一束，多個(gè)炮眼所組成的爆破束的直徑為炮眼直徑的7倍左右。綜合上述因素，將相鄰爆破束的距離設(shè)定為400 mm。此外，為確保最終爆破效果全斷面所有的爆破眼分兩次進(jìn)行爆破[4]，其中，第一次爆破的目標(biāo)為掏槽眼、下部的二圈眼周邊眼和底眼；第二次爆破的目標(biāo)為起爆輔助眼、上部的一圈眼、二圈眼和周邊眼。

3.1.2 支護(hù)工藝的優(yōu)化

為保證掘進(jìn)工作面的安全性，采用臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)手段對(duì)工作面進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。其中，臨時(shí)支護(hù)可采用吊環(huán)或前探梁實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板圍巖進(jìn)行控制。所采用前探梁的直徑為76 mm，材質(zhì)為金屬鋼管，要求鋼管的長(zhǎng)度不小于3.4 m，鋼管壁的厚度大于4 mm；所采用吊環(huán)是直徑為18 mm的圓鋼加工而成，其對(duì)應(yīng)螺母的高度大于40 mm。

所謂永久支護(hù)指的是采用錨桿支護(hù)方式對(duì)頂板或兩幫的圍巖進(jìn)行控制。所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，不同的是對(duì)于不同穩(wěn)定性的圍巖所確定錨桿的間距不同，具體描述如下：

1）當(dāng)工作面頂板圍巖相對(duì)完整時(shí)，錨桿的間距為1 000 mm，排間距為1 000 mm，要求錨桿的預(yù)緊力不小于150 N·m；

2）當(dāng)工作面頂板圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較差時(shí)，對(duì)應(yīng)錨桿的間距為800 mm，排間距為800 mm；除此之外，還需在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用直徑為17.6 mm的錨索進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，錨索的間距為1 500 mm，排間距為2 000 mm。

3.2 掘進(jìn)效果驗(yàn)證

1）工藝參數(shù)優(yōu)化，工作面所配置炮眼的個(gè)數(shù)從110個(gè)減少為94個(gè)，每個(gè)炮眼的打眼所需時(shí)間明顯降低；基于優(yōu)化后的起爆順序大大保證了爆破的安全可靠程度，而且每次爆破后所得巖石相對(duì)均勻，具有較好的爆破效果[5]。

2）從整體上分析可知，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備和工藝參數(shù)優(yōu)化后每次循環(huán)工作面的推進(jìn)速度可由1.8 m推進(jìn)至3 m，而且，每次循環(huán)所需時(shí)間由12 h減少為11 h；爆破后矸石距離頂板由1.8 m降低為1.2 m。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，煤礦實(shí)際掘進(jìn)效率滯后，采煤效率低導(dǎo)致煤炭產(chǎn)出量受到制約。因此，需對(duì)掘進(jìn)工作面涉及到的工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，具體通過采用可靠性、自動(dòng)化的設(shè)備對(duì)原掘進(jìn)裝備進(jìn)行優(yōu)化；并對(duì)基于優(yōu)化后掘進(jìn)裝備的打眼工藝、支護(hù)工藝進(jìn)行最優(yōu)化保證，最終保證掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)效率。