煤礦巖巷快速掘進工藝的優(yōu)化研究

陳瑞杰

（潞安化工集團常村煤礦，山西 屯留 046100）

隨著煤礦井下綜采效率的不斷提升，目前巖巷掘進速度慢、效率低的問題已經(jīng)成為限制井下綜采效率進一步提升的核心瓶頸問題。根據(jù)目前統(tǒng)計，井下巖巷掘進的機械化水平約在40%左右，巖巷掘進時的平均日進尺量僅為3.68 m/d，遠無法滿足煤礦井下綜采效率的需求。通過對巖巷掘進作業(yè)流程進行分析，發(fā)現(xiàn)巖巷掘進是一個非常復(fù)雜的工程體系，不同的作業(yè)流程環(huán)環(huán)相扣，單從一個方面入手并無法徹底解決巖巷綜掘效率低下的難題。

因此，本文在對煤礦井下巖巷掘進工藝流程進行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了影響巖巷掘進的四個關(guān)鍵因素，針對性地提出了基于掘進設(shè)備優(yōu)化、支護體系優(yōu)化、爆破方式優(yōu)化和勞動組織管理優(yōu)化多位一體的井下巖巷快速掘進工藝體系，新的快速掘進體系對提升井下巖巷掘進效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 巖巷快速掘進影響因素分析

巖巷在掘進過程中主要包括破巖、物料傳輸、巷道支護等多個工序，各個工序需要依次進行，而且各個工序間存在著比較緊密的聯(lián)系，綜掘面上的施工機械設(shè)備多，人工作業(yè)間存在較多的交替，在利用計時法對各工序耗時和人員分布進行統(tǒng)計后，發(fā)現(xiàn)影響巖巷掘進效率的因素主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 機械設(shè)備施工效率低

掘進機在施工作業(yè)時采用人工控制，無法實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，而且掘進過程中極易出現(xiàn)人工判斷失誤導(dǎo)致的觸頂停機事故。井下采用小規(guī)模裝載機，裝載量僅60 m3/h，采用2輛車同時作業(yè)，因空間限制使得其中一臺車會出現(xiàn)長時間等待的情況，降低了作業(yè)效率。井下物料運輸采用斜巷絞車，物料運輸時存在二次周轉(zhuǎn)，影響物料運輸效率。

1.2 支護施工效率低

巷道掘進斷面小，井下支護采用人工架設(shè)錨桿支護方式，但存在多次支護、翻修支護的情況，支護工作量大、施工效率低。

1.3 爆破方式落后

爆破方式采用淺孔爆破的方案，在實際爆破過程中，經(jīng)常出現(xiàn)爆破不到位的情況，且炮孔的利用率低，經(jīng)常需要進行二次爆破補充。

1.4 施工組織混亂

井下采用“三班倒”的作業(yè)方式，每天需進行三次交接班，交接班總時長占比過高，影響實際施工時長，而且采用多次噴涂固化后再進行錨固施工的方式使得固化周期加長，無法滿足快速錨固施工的需求。

2 掘進設(shè)備施工方案優(yōu)化

根據(jù)分析，掘進設(shè)備對巷道掘進效率的影響主要體現(xiàn)在掘進機的人工控制作業(yè)效率低、裝載機裝載能力不足以及綜掘面物料轉(zhuǎn)運方式落后等三個方面，因此，需對井下掘進設(shè)備施工方案進行優(yōu)化。

掘進機采用自動截割控制。為了滿足煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的自動截割控制需求，在對記憶截割、遠程控制截割等多種截割方式進行對比后，選擇了記憶截割控制方式。在進行截割作業(yè)時，首先根據(jù)現(xiàn)場情況由人工控制掘進機完成一組截割控制，在控制過程中系統(tǒng)對掘進機的截割坐標、截割轉(zhuǎn)速、高度等進行標定，形成截割路徑，并把截割情況存儲在控制系統(tǒng)中，形成記憶截割數(shù)據(jù)。

當系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動截割控制后，調(diào)取存儲庫內(nèi)的記憶截割數(shù)據(jù)，然后對路徑進行擬合，最終形成記憶截割路徑，根據(jù)記憶截割數(shù)據(jù)完成對掘進機回轉(zhuǎn)、油缸升降及自動截割。同時，位于掘進機上的電流傳感器、位移傳感器、角度傳感器、壓力傳感器等實時對調(diào)整情況進行檢查，將實際調(diào)整數(shù)據(jù)和理論調(diào)整數(shù)據(jù)進行對比，輸出數(shù)據(jù)差值，然后系統(tǒng)根據(jù)差值情況對其修正，以滿足調(diào)整精確性的需求。掘進機記憶截割控制系統(tǒng)邏輯如圖1所示[1]。

圖1 掘進機記憶截割控制系統(tǒng)

為了解決兩個裝載機裝載空間小、等待時間長的問題，采用ZWY-150/55L型挖掘裝載機來執(zhí)行綜掘面的物料轉(zhuǎn)載，其轉(zhuǎn)載能力達到了150 m3/h。在工作時，通過執(zhí)行機構(gòu)自動耙取物料，然后利用自帶的雙鏈刮板輸送機進行轉(zhuǎn)載，其裝載能力強、清除度高。

為了解決斜巷絞車運輸物料慢、周轉(zhuǎn)次數(shù)多的問題，在綜掘面設(shè)置了小型帶式輸送機，以便和轉(zhuǎn)載機配合使用，無需經(jīng)中間周轉(zhuǎn)，極大地提升了物料轉(zhuǎn)運的效率和安全性。

3 巷道支護方案優(yōu)化

針對井下巷道掘進斷面小、人工架設(shè)錨桿支護效率低下的難題，對巷道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其斷面尺寸必須要滿足設(shè)備運輸、管道走管、巷道通風以及行人通行的安全需求，通過對多種巷道截面進行分析，最終決定選用拱形斷面結(jié)構(gòu)[2]。

在進行支護時，結(jié)合井下實際情況，綜合采用臨時支護+永久支護+讓壓支護的方案，在保證支護強度的情況下，提升巷道支護的效率和穩(wěn)定性。

在進行臨時支護時，首先對巷道頂板進行初噴，待固化后，利用無縫鋼管配合吊環(huán)對巷道進行臨時支護。對重點區(qū)域進行永久支護時，采用低密度高強度的錨索聯(lián)合支護方案，錨桿支護時距離不小于800 mm，支護完成后，利用高強度錨索進行補強支護，每組錨索不少于3排，其間距不低于1 500 mm。讓壓支護是將巷道復(fù)噴作業(yè)放到巷道支護完成后，待支護完成約45 d后，巷道頂板和圍巖的應(yīng)力重新分布并達到了穩(wěn)定狀態(tài)，再進行復(fù)噴，從而達到減少復(fù)噴次數(shù)的目的。優(yōu)化后的井下支護方案如圖2所示[3]。

圖2 井下巷道支護結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

4 爆破及人員組織優(yōu)化

針對現(xiàn)有的淺層爆破方案效率低、可靠性差的問題，提出了一種新的深孔爆破方案，炮眼布置的深度不低于3 m。為了保證巷道成型質(zhì)量，實現(xiàn)深孔光面爆破，結(jié)合拱形巷道的實際情況，在布置周邊眼時，將周邊眼和巷道輪廓邊緣的距離設(shè)置為0.1 m，炮眼的深度設(shè)置為3 m，底眼的深度同樣設(shè)置為3 m，掏槽眼深度設(shè)置為3.1 m，輔助眼、二圈眼和三圈眼的深度均設(shè)置為3 m。在設(shè)置炸藥時，炸藥采用正向裝藥的方案，使爆破時的沖擊波從內(nèi)側(cè)向外側(cè)延伸，提高爆破效果。同時采用CMJ2-30液壓掘進鉆車進行打眼，以提高打眼的速度。優(yōu)化后的炮眼布置結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 巷道井下炮眼布置結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

在組織優(yōu)化方面，采用“二九一六”的作業(yè)模式，減少員工上下班的交接時間，提高實際作業(yè)時間，對優(yōu)化后的掘進面情況進行分析，發(fā)現(xiàn)井下掘進面的日進尺量由最初的3.4 m/d，提升到了目前的4.58 m/d，日進尺量平均提升了34.8%以上，井下綜掘面的作業(yè)人員由36人降低到了目前的25人，數(shù)量降低了30.1%，顯著提升了井下巷道掘進的效率和質(zhì)量。

5 結(jié)論

1）采用掘進機記憶截割、大載重裝載機轉(zhuǎn)運和輸送帶物料周轉(zhuǎn)的方案，能夠提升井下巷道掘進作業(yè)的自動化程度和效率。

2）采用臨時支護+永久支護+讓壓支護的方案，能夠在保證支護強度的情況下，提升巷道支護效率和穩(wěn)定性。

3）新的快速掘進體系能夠?qū)⒕氯者M尺量提升34.8%以上，將井下綜掘面的同時作業(yè)人員數(shù)量降低30.1%，對提升井下巷道掘進的效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。