孟村煤礦快速掘進裝備適應性研究

馮俊超,張劍華

(陜西彬長孟村礦業有限公司,陜西 咸陽 713600)

0 引言

掘進工作面是煤礦井下人員最密集、環境最惡劣的工作場所,傳統掘進工藝采用掘進和支護交替間歇作業,速度慢、用人多、安全性差,掘進設備功能單一、相互協同性差、效率低,全國綜掘平均月進尺180 m,采掘失衡嚴重,制約了煤礦高效生產。隨著國家科技投入的不斷增加,煤礦井下巷道掘進技術與裝備取得一批重要科技成果,實現從炮掘到機掘的跨越[1-3]。

為進一步提高掘進速度,實現掘錨平行作業,引入掘錨一體機高效快速掘進技術,掘錨一體化高效掘進技術在截割、支護、運輸、控制、粉塵等技術方面優于綜掘技術,掘支運平行作業時間由25%～35%增至50%～70%,月平均進尺達600～2 500 m,滿足煤巷高效掘進的生產要求。掘錨一體化高效掘進成套裝備相繼在神東、陜煤等不同地質條件下推廣應用,月最高進尺達到3 088 m,創造了煤巷大斷面單巷掘進的世界紀錄[4-10]。

孟村煤礦生產地質條件復雜,災害疊加嚴重,掘錨一體機對掘進地質條件適應性較差,需要詳細調研快速掘進裝備系統的設備配套及現場應用效果,對巷道快速掘進過程中遇到的問題和采取的改進措施進行研究分析,評價其適應性。研究快速掘進裝備系統高效掘進關鍵技術,對快速掘進施工工藝、勞動組織方式、支護參數等方面進行優化,形成適用的快速掘進裝備及其配套掘進工藝成套技術體系,對提升孟村煤礦經濟效益和社會效益具有重大現實意義。

1 工程概況

孟村煤礦井田東西長10.6 km,南北寬5.87 km,呈近矩形狀,面積60.47 km2。井田儲量為1 019.20 Mt,可采儲量585.08 Mt,礦井設計服務年限為69.5 a。孟村煤礦主采延安組4號煤層,煤層全厚3.70～26.30 m,平均16.25 m,埋深393～890 m,由東南向西北方向埋深逐漸加大。4號煤層屬容易自燃煤層,煤塵有爆炸危險。井田地質構造簡單,屬高瓦斯礦井,水文地質類型為復雜型,二級熱害區主要分布于井田北部,其余大部分區域為一級熱害區,4號煤層為強沖擊煤層,礦井為嚴重沖擊地壓礦井。

本項目主要分析評價401104工作面掘進期間快速掘進裝備系統的適應性。401104工作面運輸巷于2022年1月開工,預計2022年12月竣工。該工作面掘進期間,共設計3條巷道,分別為回風巷、運輸巷和措施巷。401104工作面運輸巷設計總長度2 187.996 m,服務年限直至401104工作面回采結束。401104工作面運輸巷巷道斷面為矩形,掘進尺寸為5.8 m×3.6 m(寬×高),巷道均采用金屬網護表,螺紋鋼錨桿配以鋼帶及錨索對頂板進行支護,錨桿規格為φ22 mm×2 500 mm,矩形布置,錨桿間排距為750 mm×700 mm;頂部錨索規格為φ28.6 mm×7 100 mm,按照“四三四”布置,錨索間排距1 500 mm×700 mm;幫部采用錨索配合M鋼帶支護,鋼帶分上、下2組,上鋼帶布置3根錨索,下鋼帶布置2根錨索,錨索規格為φ21.8 mm×3 500 mm,矩形布置,間排距850 mm×700 mm。具體支護情況如圖1所示。

孟村煤礦401104工作面運輸巷快速掘進系統由EJM2×170掘錨機、DZQ100/95/30橋式轉載皮帶、DWZY1000/1500皮帶自移機尾、DSJ100/100/2×200 kW長距離運料帶式輸送機共4部分組成(皮帶運輸距離可達2 000 m),掘錨機機載鉆機配合風動錨桿機進行支護。應用初期,掘進循環進尺1.4 m(2排),日循環次數為5次,工作天數按30 d,正規循環率按90%,月進尺為189 m。

2 快速掘進影響因素分析

孟村煤礦地質條件復雜,災害嚴重,掘錨一體機在行進的過程中會遇到很多問題,嚴重影響掘進效率。經分析,影響煤礦巷道掘進效率的因素主要有4個方面:圍巖地質力學條件、巷道賦存及工程條件、巷道支護工藝以及勞動組織方式。

2.1 圍巖地質力學條件

圍巖地質條件:圍巖地質條件對巷道快速掘進的影響主要有①異常地質區的形式、數量以及長度會影響巷道快速掘進,如:滾筒式的掘錨機無法在過陷落柱時及時支護,需要超前注漿、人工超前架設鋼釬或人工鉆裝錨桿;②掘進過斷層時破巖效率低,有時還需懸臂式掘進機破巖或爆破破巖,因此,掘錨機在異常地質區掘進時輔助工程量大、耗時長;③掘錨一體機設備對掘進地質條件適應性較差,巷道構造數量多、構造帶長度占比大時會影響巷道快速掘進的效率,孟村煤礦異常地質區為禮村向斜。

應力環境:應力環境對巷道快速掘進的影響主要有①為減少圍巖在應力作用下發生不連續變形、頂板離層,影響支護的長期效果,煤巷開挖后要求立即施加支護且允許的空頂小;②小空頂距要求快掘裝備在掘進工作有限空間內掘后即支,掘支裝備頻繁交叉作業耗時長,制約著集成化大型裝備的使用;③高應力巷道掘后圍巖破碎,圍巖表面坑洼不平,會影響網片鋪設、錨桿錨索孔的打設速度;④巷道開挖產生應力重新分布且與構造應力相互疊加,增加了發生沖擊危險的可能性。

2.2 巷道賦存及工程條件

巷道賦存狀況:巷道賦存狀況是直接影響掘進速度的因素,主要包括頂板圍巖穩定性、頂板兩幫圍巖原生裂隙、底板強度及巖性等。孟村煤礦圍巖賦存狀況為巷道布置在煤層中,煤層平均厚度25.3 m,巷道高度5.8 m;煤層結構簡單,含0～1層夾矸,傾角0°～6°,平均3°,普氏硬度系數為1.7～3.8,層理中等發育。煤層直接頂為砂質泥巖,平均厚度10 m;直接底為碳質泥巖,平均厚度1.5 m,影響較大。

工程條件:巷道掘進受原有工程條件的影響因素,主要包括①本層或鄰近層存在采空區時,巷道圍巖中會存在應力集中、圍巖劣化的情況,進而影響巷道快速掘進,因此,留煤柱巷道特別是小煤柱巷道(沿空掘巷)一般不采用掘錨機組;②掘進工作面附近有工程擾動,如巖巷爆破等會使圍巖劣化,影響巷道掘進。孟村煤礦巷道工程條件為,401104工作面運輸巷正東側開口處為401盤區一號回風大巷,南側為401104工作面回風巷(未掘)。

2.3 巷道支護工藝

支護是當前影響煤巷掘進最主要的因素,主要包括臨時支護和永久支護。對于臨時支護,如果可以通過零支護或簡單的防護滿足對掘進工作面安全及后期圍巖控制的要求,將顯著提升成巷速度。對于永久支護,如果頂板、兩幫均需要“掘一錨一”,掘進速度將嚴重受到制約。采用合理的鉆錨一體化錨桿、鉆裝一體化液壓錨桿鉆架、長鉆桿鉆進能夠簡化錨桿施工工藝,提升掘進速度。此外,支護耗材和施工機具也是影響支護時間長短的因素。

孟村煤礦401104工作面運輸巷臨時支護采用掘錨機搖臂上的臨時護板,配合掘錨機兩側鉆機托舉鋼筋網進行臨時支護。永久支護采用掘錨機機載鉆機配合風動錨桿機進行支護。施工組織EJM2×170掘錨一體機安裝有6臺鉆機,其中最前排1#、4#鉆機中心距為4 128 mm,用于施工頂板第1、2、7、8根錨桿及幫部第1、2、6、7根錨索;中間布置2臺頂部錨桿鉆機,2臺鉆機中心距2 008 mm,用于施工頂板第3、4、5、6根錨桿及頂板錨索;后排布置2臺幫部錨桿鉆機,鉆機中心距2 008 mm,用于施工幫部第3、8根錨索;人工使用錨桿鉆機支護頂板中間錨索及幫部下部2根錨索。臨時支護示意、鉆機布置及支護布局如圖2～圖4所示。

圖2 臨時支護示意

圖3 鉆機布置

圖4 支護布局

401104工作面運輸巷百米支護耗材:循環進尺1.4 m,雙循環支護頂板16根錨桿、7根錨索,幫部20根錨索。百米循環次數為71.43次,支護頂板錨桿1 142.88 根,頂板錨索500.01根,幫部錨索1 428.6根,施工機具。

2.4 勞動組織方式

合理的勞動施工組織可以起到事半功倍的效果,采用各工種平行與順序作業相結合的勞動組織形式,可以減少作業人員,提高掘進效率。孟村煤礦作業方式采用“三八”制作業,三班掘進。作業循環正常情況下,單循環進尺為1.4 m,每次循環需要240 min,早班由于檢修、運輸服務、接續管路等,掘進一個循環,中班、夜班各為2個循環,圓班5個循環,頂幫完整性較差時,短掘短支。正規循環作業如圖5所示。

圖5 正規循環作業圖表

通過對孟村煤礦生產地質條件的詳細調研,對比分析圍巖地質力學條件、巷道賦存及工程條件、巷道支護工藝以及勞動組織方式等影響因素,總結掘錨一體機應用效果。其中圍巖地質力學條件和巷道支護工藝是主要影響因素,勞動組織方式是次要影響因素,巷道工程條件影響較小。

3 快速掘進裝備系統應用效果

3.1 快速掘進裝備應用情況

EJM2×170掘錨一體機于2022年2月4日在孟村煤礦401104工作面運輸巷正式投用,在地質環境不太理想的情況下,巷道掘進仍然取得了較好的技術和經濟效果。在現場應用中,最高日進尺6.9 m,日均進尺6.5 m,而使用普通掘進機在401104工作面運輸巷同期施工中,最高日進尺4.9 m,日均進尺4.2 m,在割煤及支護速度方面,掘錨一體機也遠超普通綜掘機。

3.2 快速掘進裝備存在問題

隨著對快速掘進系統裝備的進一步使用與了解,以掘錨一體機為例的快速掘進裝備在掘進巷道時優勢明顯,但也暴露出一系列問題。如:①掘錨一體機設備對掘進地質條件適應性較差;②遇到破碎頂板時掘錨機割煤藏刀環節會惡化頂板狀況;③掘錨機鉆機活動范圍有限,支護受限,甩巷支護錨桿、錨索數量多;④掘錨機受限于鉆機布置位置,所施工錨桿、錨索角度與設計偏差較大,存在降低支護強度的風險;⑤掘錨機無專用機載式臨時支護裝置,掛網、鋪設鋼帶環節復雜;⑥卸壓鉆機使用風動鉆機扭矩不足無夾持器需要人工卸鉆桿,打孔時間較長且打孔深度淺。

3.3 快速掘進裝備改造

針對掘錨一體機設備在401104工作面運輸巷使用中暴露出來的問題,對EJM2×170掘錨一體機在機載臨時支護、鉆機等部件進行了改造,具體改造方式及使用效果如下:①對3#、6#鉆機進行改造增加鉆機左右旋轉幅度,從原先的只能支護頂部優化改為可以支護至幫部第4根錨索,甩巷支護錨桿、錨索數量顯著減少,減少空幫面積,提高巷道成形質量;②將鉆機夾持器由原先的六邊改成四邊,方便拆卸鉆桿;③增加2個油缸式超前臨時支護裝置,可有效預防迎頭煤壁片幫;④將風動卸壓鉆機改為液壓鉆機,卸壓鉆孔整體施工效率提高了2倍,大幅度縮短卸壓鉆孔的施工時間。

4 結論

(1)孟村煤礦使用普通綜掘機在401104工作面運輸巷同期施工中,最高日進尺4.9 m,日均進尺4.2 m,掘錨機投入使用之后最高日進尺6.9 m,日均進尺6.5 m,掘進效率超過普通綜掘機。

(2)隨著作業人員熟練程度的增加以及對掘錨機設備的改造升級,最高日進尺達到8.4 m,日均進尺7.3 m,月進尺218 m,達到預期結果,并且有進一步提升的空間。

(3)綜合孟村煤礦快速掘進裝備系統的現場應用效果與適應性評價結果,孟村煤礦快速掘進裝備在401104工作面運輸巷適用,可以進一步推廣。