高抽巷機械化快速掘進技術的實踐

云 文

（霍州煤電集團興盛園煤業有限責任公司，山西 臨汾 031400）

煤炭行業的發展促使礦井尤其是綜采工作面的效率逐步提升。然而，目前綜掘巷道多布置在巖巷中，巖石硬度大，加之智能化程度低，導致掘進效率遠低于采煤效率，采掘接替是目前煤礦實現高效安全生產的一個突出問題。

1 工程概況

霍州煤電集團興盛園煤業位于山西省霍州市，井田面積為 6.425 7 km2，保有地質儲量4897 萬t，設計開采儲量2 020.6 萬t，開采 1#、2#、10#、11#煤層，設計生產能力為90 萬t/a。101 高抽巷位于采區回風下山北側，東臨150101 回風順槽（未掘），西、南部為煤層實體，均未采動。101 高抽巷設計長度為1117 m，用于101 工作面排瓦斯使用。101 工作面煤層厚度為3.24～9.02 m，平均厚度為6.44 m，煤層埋深514～545 m。煤層及頂底板柱狀圖如圖1。

圖1 101 工作面頂底板柱狀圖

2 原巖巷快速掘進情況分析

（1）巖巷掘進裝備專業化程度低

興盛園煤業巖巷掘進裝備專業化程度低，沒有專門針對瓦斯高抽巷特殊工況的掘進系統，掘進效率低，掘滯后于采。該煤礦巖巷掘進主要有以下方法：

① 炮掘工藝。傳統巖巷炮掘主要特點為：打炮眼及裝藥準備時間長，進尺效率低，炮掘進尺效率平均75～110 m/月；炮掘對巷道整體穩定性破壞較大，巷道后期使用安全的不確定性較大；巷道成型不整齊，對錨護造成一定困難；振動大，對巖石產生破壞，巷道后期使用過程中會經常出現落料，需要頻繁放頂修復。

② 懸臂式掘進機。該煤礦井下巖巷采用的掘進機最小截割斷面面積均在13 m2以上，進尺效率平均在95～155 m/月，施工斷面大，收、運料成本高，錨、護成本高，綜合經濟效益較低。

③ 小型盾構機。小型全斷面巖巷掘進機施工斷面面積可達到7～8 m2，但設備費用較高，先期投入較大；全斷面掘進機施工過程中只可前進，不可后退，靈活性不好。

（2）巖巷的層位選擇無定量描述

不同開采條件的構造場、應力場、裂隙場和瓦斯場等地質條件復雜，地區差異性較大，但是該煤礦高抽巷的層位選擇缺乏科學定量描述。

（3）礦建經濟成本和環保壓力大

該煤礦開拓巷、高抽巷普遍存在煤巖硬度高、掘進工作面粉塵量大、運輸排矸石量大等問題，礦建經濟成本和環保壓力日益增加。

基于以上原因，該礦巖巷掘進施工速度慢、效率低。設計一套適合高抽巷、整機靈活性好、可截割硬巖、進尺速度快、除塵效果好、施工綜合效率高的掘進方案[1-6]是非常具有實際意義的。

3 巖巷小斷面機械化快速掘進技術的設計

以興盛園煤業101 小斷面高抽巷為研究對象，通過引進EBZ-280C 小斷面巖巷掘進機，并針對性制定巖巷快速掘進工藝，可實現巖巷的快速掘進。

3.1 合理層位選擇

高抽巷主要是用來排放工作面的瓦斯，其位置一般選擇在裂隙帶中下部，在保障安全的前提下，選擇合理層位，是實現其快速掘進的關鍵點。

3.1.1 巖石強度測試

對巷道圍巖屬性及煤層延伸性探測感知測試，針對不同巖性巖石，優選最有效的破巖方式，是提高機械鉆掘效率的前提，因此，需要對巷道圍巖進行巖石地質力學測試，研究巖石在不同動靜組合荷載作用下的破裂機理及裂隙發展規律，可為掘進機截割參數確定提供參考。

將101 高抽巷巖石制備成Φ50 mm×100 mm的巖樣，經MTS816 試驗機進行強度測試，可得101 工作面直接頂砂質泥巖、老頂細粒砂巖、泥巷的硬度指數f 分別為3～4、5～6、2～3。

3.1.2 工作面頂板裂隙帶層位

厚煤層分層開采的冒落帶高度可采用公式（1）計算，裂隙帶高度可采用公式（2）計算。

式中：H冒為冒落帶高度，m；H裂為裂隙帶高度，m；M為各巖層厚度，m。計算可知H冒為煤層頂板上11～15 m 位置，H裂為頂板以上15～55 m 位置。

采用FLAC3D/PFC 模擬計算軟件，模擬結果表明冒落高度為10～15 m 位置，裂隙帶分布在頂板15～35 m 位置。

綜上所述，101 工作面上覆巖層冒落高度和裂隙帶高度分界線約在煤層15 m 處位置，因此101高抽巷合理布置層位為3#煤層頂板向上約15～18 m處位置。

3.2 巷道斷面及支護優化

3.2.1 巷道斷面優化

EBZ-280C 掘進機機身尺寸為：長12.4 m，鏟板寬2.6 m，機身寬2.38 m，履帶外側寬2.38 m，機身高1.8 m，截割部水平最高2.3 m，一運尾端高1.98 m。結合機身身尺，確定101 高抽巷巷道寬度×高度=3.9 m×3.3 m。

3.2.2 巷道支護優化

對101 高抽巷支護方案和參數進行優化，如圖2。頂錨桿采用Φ22 mm×M24×2400 mm 的高強左旋螺紋鋼筋，采用端頭樹脂錨固，錨桿排距1200 mm；頂錨索采用Φ18.9 mm×5000 mm 的高強度低松弛鋼絞線，采用端頭樹脂錨固，采用“1-0-1”布置。

圖2 101 高抽巷斷面支護示意圖（mm）

3.3 主要裝備及配套

3.3.1 巖巷掘進機

采用最小斷面掘進機，EBZ280C 型巖巷掘進機是適合高抽巷掘進且綜合經濟性最好的巖巷掘進機。該掘進機為小斷面、小體積、大功率、高功率密度、超長質保的黑金剛級巖巷掘進機。該機通過設備結構、配置優化實現與原EBZ260/280 掘進機相比截割斷面減少30%，系統綜合壽命提高50%；對巷道控塵技術做綜合研究并達到有效控塵。整機外形尺寸縮小后確保配置不變、動力不降，合理化增重并優化重心，確保整機截硬巖動力充沛，穩定性更好。

該機經濟截割巖石硬度f≤8，最大截割硬度f可達10，重量達82 t（不含二運），最小截割斷面為 8.2 m2。斷面減小后，收運料成本、鋪護成本、截齒損耗、維護成本等直接經濟效益提高30%以上。斷面跨度小，桿間距還可進一步加大，綜合經濟效益可提高40%以上。斷面小，少排料，利于環保。按單位時間段計算，成形小、斷面進尺快，進尺可提升30%以上。該機采用“閉式液壓系統”，使整機液壓系統閥組、管路進一步優化，液壓油量減少40%。該系統具有清潔、環保、節能、少故障、便維護、壽命長等特點，是掘進機液壓系統的重大變革。

3.3.2 帶式輸送機的選擇

為能配套EBZ-280C 掘進機的割巖作業，滿足施工現場的安全可靠運輸的要求，確定配套采用QZP-160A 型橋式皮帶轉載機+SJP-1000 皮帶機。

4 現場應用效果分析

在101 工作面3#煤層頂板向上約15～18 m 處位置布置101 高抽巷，應用EBZ-280C 型小斷面巖巷掘進機進行掘進施工作業+配套機械化快速掘進工藝，取得了較好的效果。

首月進尺247.35 m，有效平均進尺7.83 m/d，單日最大進尺達13.6 m，首月后單日進尺均超過11.5 m。對比該煤礦以往炮掘，月平均進尺提高58.6%，日平均進尺提高95%，成效顯著。該巖巷機械化快速掘進技術能提高巷道施工效率，加快巷道和工作面布置。

經計算，該巖巷機械化快速掘進技術應用后，每掘進1 m 的綜合費用從以往炮掘的6 105.4 元降低至5 203.7 元，每1 m 可節約901.7 元，預測完成101 高抽巷的施工約可節約100 萬元。