15204 工作面機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝的實踐

田 方

（山西陵川崇安關嶺山煤業有限公司，山西 晉城 048313）

1 工程概況

山西陵川崇安關嶺山煤業兼并重組后礦區總面積7.19 km2，地質儲量31 553.9 kt，生產規模60萬t/a，主要開采2#、3#、15#煤層。

15204 工作面位于二采區東翼，其中工作面長度151 m，巷道長度1074 m，留巷 1044 m，工作面平均埋深約130 m，主要開采15#煤層。煤層厚度為2.75～5.34 m，平均厚度4.19 m；煤層傾角為0～10°，平均傾角6°；K2 灰巖頂板，厚度為4.8～9.7 m，平均厚度7.5 m。15204 工作面運輸巷沿15#煤頂底板布置，凈寬5 m，凈高4.3 m，錨網支護。

2 沿空留巷技術方案的設計

2.1 沿空留巷技術以往應用分析

關嶺山煤業從2010 年起開始應用沿空留巷技術進行開采。該煤礦30104 工作面曾采用巷旁無充填自然矸石垛支撐法進行沿空留巷，效果顯著，但問題較多。該工作面沿空留巷技術應用過程中問題主要表現在：（1）巷道頂板下沉、易發生底鼓，巷道兩幫鼓出量大，巷道維護困難；（2）留巷支撐壓力區單體損壞率高達35%左右；（3）動壓影響范圍高達120 m 左右，須鋪設多部刮板輸送機用于接力出渣，工作量大，設備維護和管理難度較大；（4）留巷段內作業空間狹小，支設有密集單體，工作量多且勞動強度大，安全系數較低。因此，該沿空留巷技術方案有待優化改進。

2.2 沿空留巷技術方案的設計

基于提高留巷效率，降低留巷成本，改善工作環境的目的，在關嶺山煤業15204 工作面設計應用切頂爆破卸壓110 工法，其布置方式如圖1。在工程研究中，基于15204 工作面地質、工藝等情況，在實驗室進行基礎研究、模擬試驗和理論分析，在現場進行切頂卸壓條件下無煤柱自成巷開采技術應用試驗，實行室內研究與現場工作互補。項目設計圍繞“切頂卸壓自成巷、安全高效低成本”為中心開展，并制定相應施工工藝、生產組織和配套的安全措施[1-6]。

圖1 切頂爆破卸壓110 工法布置方式示意圖

具體實施方案：在超前工作面50～70 m 位置設計超前預裂爆破切頂卸壓，將巷道空區側頂板沿走向拉開一條縫，降低留巷受采動影響壓力，進而可以大幅度降低留巷的變形量，保持巷道圍巖的穩定性。在礦山壓力作用下頂板沿切縫面垮落形成巷幫，降低留巷圍巖應力。采用可伸縮U 型鋼支架配合雙層金屬網，對留巷空區側進行擋矸和支護。15204 工作面為中薄煤層開采，工作面推進快，沿空留巷進度慢，施工安全性能較差。為實現快速沿空留巷，制定了機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝，為實現安全高效開采目標奠定基礎。

3 機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝設計方案

基于切頂爆破卸壓110 工法開采技術的施工過程，在預裂爆破孔環節、沿空留巷成巷整修環節、出渣環節進行了機械化快速施工作業設計，如圖2。

圖2 機械化快速沿空留巷作業設計示意圖（m）

3.1 DCA-45 型自動成巷超前切縫鉆機

15204 工作面“切頂卸壓沿空成巷”工藝流程中，其關鍵工序是在巷道頂板施工一排定向爆破孔，為回采過程中爆破切頂做前期準備。爆破孔的施工必須滿足成孔質量較好、鉆孔角度誤差小、所有鉆孔需成一條直線、所有鉆孔平行等要求。針對高質量成孔要求，確定采用DCA-45 型自動成巷超前切縫鉆機進行施工，結構示意圖如圖3。

圖3 DCA-45 型自動成巷超前切縫鉆機結構示意圖

切縫預裂爆破鉆孔施工方案：采用DCA-45 型自動成巷超前切縫鉆機在順槽巷道走向沿工作面進行超前煤壁施工切頂卸壓的方式進行超前爆破，切頂線位于工作面側巷幫200 mm 位置處，切縫鉆孔設計規格為Φ50 mm×85 000 mm，切頂線上布置單排鉆孔，間距600 mm。

3.2 MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機

在15204 工作面“切頂卸壓沿空成巷”工藝流程中，設計在沿空留巷成巷整修段采用MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機進行擴幫臥底。MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機主要由挖斗、工作裝置、回轉平臺、液壓系統、底盤總成、機罩、電氣系統等組成。該設備主要應用于坡度小于4%的巷道掘進中的裝巖、清底、擴幫、擴頂的挖掘作業。

MWD5.1/0.13L 型液壓挖掘機結構設計緊湊、設備尺寸較小，可以在留巷狹小空間內完成臥底、擴邦、擴頂等整修工作。回轉平臺可完成180°旋轉，機械臂和鏟斗完成360°旋轉，在成巷整修段時能實現機械化無死角施工作業，大幅度提高工作效率，降低職工勞動強度。

3.3 DSJ65/10/2×40 型自移式帶式輸送機

在15204 工作面“切頂卸壓沿空成巷”工藝流程中，在出渣環節設計采用DSJ65/10/2×40 型自移式后置驅動變頻永磁滾筒帶式輸送機進行出渣。該設備與轉載機搭接情況如圖4。

圖4 帶式輸送機與轉載機搭接示意圖

DSJ65/10/2×40 型自移式帶式輸送機采用后置驅動方式，在15204 工作面布置時將設備驅動裝置固定在留巷最里端，不隨巷道推進進行外移；卸載裝置與轉載機機尾采用萬向聯軸節連接，隨工作面推進自移前進；伸縮部布置在留巷中部，采用多節儲帶倉進行延長。采用一部DSJ65/10/2×40 型自移式帶式輸送機進行出渣的方案設計，大幅度簡化了以往采用多部刮板輸送機接力出渣的運輸環節，適合在15204 工作面留巷空間小、巷道變形快、臥底量大條件下應用。

4 實踐應用效果分析

（1）機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝應用有效提高了15204 工作面沿空留巷效率，實現了中煤層工作面沿空留巷的機械化修復，留巷內作業的工作人員數量大幅度減少，工作人員勞動強度大幅度降低，留巷內設備運輸工作量大幅度降低，井下安全事故發生率大幅度降低，有效實現了15204工作面安全高效留巷的目標。

（2）機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝應用大幅度提高了留巷內工效，留巷內工效從以往的0.13 m/工提高到0.28 m/工，工效提高了115%。

（3）機械化快速沿空留巷成套裝備及工藝應用大幅度降低了沿空留巷成本。沿空留巷每米成本從以往5084 元降低至2562 元，沿空留巷每米成本降低2468 元，降低幅度高達48.5%。15204 工作面留巷長度約910 m，對比之前留巷技術節約成本約225 萬元，經濟效益顯著。