煤巷快速掘進技術的研究與應用

郝永亮

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

煤礦生產中的掘進和回采為兩個關鍵生產環節，裝備的性能、采煤技術及掘進技術等直接決定煤礦的生產能力和生產效率。經研究可知，當前煤礦實際生產中綜合掘進效率跟不上綜合采煤效率，導致兩個環節之間存在較大的差距，進而影響煤礦的生產效率。因此，實現煤巷工作面的快速掘進是提升礦井生產能力的突破口[1]。本文著重對煤巷快速掘進技術進行研究，并對其應用效果進行驗證，為后續建立科學的煤巷掘進體系，實現煤礦科學、高效、安全的開采奠定基礎。

1 工程概況

長河煤礦的煤炭儲量為1 340.5 Mt，目前該煤礦的生產能力為每年10 Mt，煤層的傾角范圍為0°～3°，采用斜井與立井相結合的方式進行開采，其中斜井為主運輸，平硐為輔助運輸，立井為回風井。本文著重對長河煤礦31304工作面的快速掘進進行研究，31304工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 31304工作面頂底板情況

如表1所示，31304工作面頂板巖層的強度較低，容易發生坍塌、冒落等事故。因此，實現該工作面快速掘進的前提為對其頂板進行合理支護[2]。經探測，31304工作面在掘進期間的正常涌水量預計為15 m3/h。為保證掘進期間不發生透水事故，要求所采取的防水措施可預防50 m3/h的涌水量。

2 工作面支護的初步設計

結合31304的地質條件及實際支護經驗，采用“錨桿+錨索+鋼筋網”的聯合支護方式對掘進工作面進行支護。采用綜合計算分析法和工程經驗類比法設計31304工作面的初步支護方案如下：

2.1 頂錨桿參數

采用直徑為18 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿對應長度為2 100 mm，錨桿間距為900 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為6根，最小預緊力矩為100 N·m。

2.2 左幫錨桿參數

采用直徑為18 mm的玻璃鋼錨桿，對應錨桿的長度為2 000 mm，錨桿的間距為1 100 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為2根，最小預緊力矩為50 N·m。

2.3 右幫錨桿參數

采用直徑為16 mm的圓鋼錨桿，對應錨桿長度為1 800 mm，錨桿的間距為1 100 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為2根，最小預緊力矩為100 N·m。

2.4 錨索參數

采用直徑為17.8 mm、長度為5 000 mm的鋼絲絞線，錨索間距為2 200 mm，錨索排間距為2 000 mm，錨固長度為1 800 mm。

為保證煤巷的支護質量，在實際施工過程中嚴格按照工藝及質量要求進行，具體質量要求如下頁表2所示。

表2 工作面支護質量要求

3 快速掘進技術研究

實現煤礦工作面的快速掘進，需要高性能掘進設備和合理掘進工藝的相互配合[3]。因此，本節著重對掘進設備和掘進工藝的選擇進行具體研究。

3.1 掘進機及其配套設備的優化

結合31304工作面的地質、煤層等條件，本工程選用MB670掘錨機完成對煤巷的掘進任務。任何工作面的掘進均需完成破、落、裝、運，以及對巷道的支護等工序[4]。根據掘進任務工序和工作面巷道斷面面積及底板情況，配置與MB670掘錨機相匹配的設備，關鍵配套設備如表3所示。

表3 31304關鍵掘進配套設備

除表3中所述的關鍵設備外，在實際掘進施工中還需配備膠帶機、通風機、激光指向儀及電氣控制的相關設備等。

3.2 掘進工藝流程的最優化設計

掘進任務包括破、落、裝、運四個環節。首先，在破巖的過程中嚴格按照地測站標定的中邊線施工，在本工程中中邊線分別距離巷道左右兩幫2.5 m，且本次掘進設計的循環進尺為1 m。實際破巖過程中經歷升刀-掃頂-進刀-破巖四個環節[5]。

結合31304工作面的現場情況和掘進效率，設計如下工藝流程：

掘錨機沿著中邊線破巖后，采用錨桿鉆機及時對巷道頂板和兩幫進行支護，所破下的巖石經刮板輸送機-連運車-裝載膠帶機及各個環節的膠帶運輸機運送至大巷，最后運輸至地面。

4 快速掘進技術的應用

31304工作面的快速掘進是在穩定支護的基礎上采取最佳掘進設備組合和掘進工藝實現的。因此，快速掘進技術的應用效果可通過對煤巷圍巖的控制和掘進效率進行驗證。

4.1 煤巷圍巖的控制效果

對于所采用支護手段對煤巷圍巖的控制效果，可通過頂板離層監測儀對頂板的離層量進行監測；采用測槍對巷道頂板和底板的位移量進行監測；采用壓力表對錨桿的受力狀況進行監測。經現場監測，得出如下結論：

1）在煤巷中設計了兩個監測點，分別對煤巷頂板總的離層量進行監測。經監測得知，兩個監測點的離層量分別為39 mm和35.5 mm。而且，煤巷離層較為嚴重的區域位于淺部范圍。

2）經現場實際施工可知，在巷道掘進初期距離掘進50 m的范圍內，頂板的下沉量為70 mm，底板對應的底鼓量為52 mm；距離掘進頭60 m的位置，頂板的下沉量達到穩定并且保持在90.5 mm，底鼓量最終為79.1 mm。

4.2 掘進效率分析

采用本文所設計的快速掘進方案后，4月整個巷道的掘進量為930 m，而且5月的掘進量達到最大，為1 326 m。而采用傳統掘進工藝對應每個月的平均掘進量僅為538 m。總的來講，采用掘錨機相對傳統掘進機對應的掘進效率可提高2.5倍；而且，隨著掘進工藝的不斷成熟，其掘進效率還會繼續提升。

5 結語

煤礦生產能力主要受工作面的掘進和回采效率所決定。目前我國煤礦工作面的回采效率已經具有顯著的優勢；而工作面的掘進效率偏低，與回采效率無法相匹配、適應，進而制約整個煤礦的生產能力。為此，實現煤巷的快速掘進對提升煤礦生產力具有重要意義。本文以掘錨機為主體，在對煤巷采用“錨桿+錨索”聯合支護的基礎上，為掘錨機配套了相應的設備和最佳工藝。實踐表明，掘錨機相對應的掘進效率為普通掘進機的2.5倍。