礦井堅(jiān)硬巖層巷道快速掘進(jìn)技術(shù)探析

王浩偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部趙莊二號(hào)井，山西 長治 046000）

0 引言

當(dāng)前礦井煤炭普遍采用人工鉆爆法（95%）掘進(jìn)硬度達(dá)6 以上的巖層巷道，有效降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，每月平均可掘進(jìn)70～80 m。但是實(shí)際礦井開采作業(yè)環(huán)境惡劣，采用人工鉆爆法安全風(fēng)險(xiǎn)大、粉塵含量高，掘進(jìn)速度慢、截割齒消耗大、成本高，不利于礦井高效生產(chǎn)。基于此，山西某礦引入綜合巷炮眼鉆機(jī)、運(yùn)料、挖掘、圍巖支護(hù)的鉆裝掘錨機(jī)，并結(jié)合深孔爆破技術(shù)建立堅(jiān)硬巖層快速掘進(jìn)體系，實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)硬巖層巷道。

1 南三采區(qū)

山西某礦南三采區(qū)需掘進(jìn)一條長2368 m 的巷道（該巷道為25 m 砂巖層，位于5 號(hào)煤層底板下方），巷道直墻半圓拱斷面27.58 m2，需掘進(jìn)巷寬、高分別為6.3 m、5.05 m。項(xiàng)目中采用錨網(wǎng)索噴進(jìn)行回風(fēng)巷圍巖支護(hù)，以800 mm、800 mm 的間排距布置18 根錨桿作為斷面；按照1600 mm、800 mm 的間排距布置5 根錨索。完成支護(hù)后，對(duì)巷道表層進(jìn)行混凝土噴射，噴射厚度為150 mm；底板地坪混凝土噴射100 mm，均采用C25 混凝土[1-2]。該項(xiàng)目中綜合1.5 t 礦車、型號(hào)為DSJ-800 的帶式輸送機(jī)、翻料機(jī)以及120 型耙矸機(jī)等組合出矸掘進(jìn)中所形成的矸石。由于砂巖層的堅(jiān)硬程度較大，導(dǎo)致人工鉆爆法掘進(jìn)巷道效率低，每月平均掘進(jìn)70 m，實(shí)際施工需要較多作業(yè)人員，項(xiàng)目勞動(dòng)強(qiáng)度大。基于此，為了促進(jìn)機(jī)械化巷道掘進(jìn)引入CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)，并利用中深孔爆破破巖。實(shí)踐表明，掘進(jìn)效率顯著提高。

2 巷道掘進(jìn)方案

2.1 CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)概況

由于我國復(fù)雜的煤礦地質(zhì)條件，加之落后的傳統(tǒng)掘進(jìn)設(shè)備，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)工作面臨著效率低下、機(jī)械化程度低等困境。傳統(tǒng)模式下，懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿機(jī)協(xié)作，共同開展掘進(jìn)工作，不符合快速發(fā)展的機(jī)械化、智能化潮流，出現(xiàn)了很多弊端。為了解決傳統(tǒng)掘進(jìn)設(shè)備帶來的問題，提高掘進(jìn)工作效率，目前國內(nèi)外大部分掘進(jìn)設(shè)備制造企業(yè)創(chuàng)新、升級(jí)、研發(fā)出懸臂式掘錨一體式設(shè)備，以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主體[3-4]。同時(shí)在掘進(jìn)機(jī)的履帶上方、掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)附加機(jī)載錨桿鉆機(jī)的錨臂，掘進(jìn)機(jī)和機(jī)載錨桿機(jī)的分工明確，交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了全方位的機(jī)械化作業(yè)。該設(shè)備的應(yīng)用，一定程度上提升了掘進(jìn)工作開展的速度，促進(jìn)了掘進(jìn)工作的智能化和機(jī)械化發(fā)展，改善了掘進(jìn)工作的開展環(huán)境，提高了掘進(jìn)工作的效率。

機(jī)載錨桿鉆機(jī)的伸縮臂是該設(shè)備開展工作的主體構(gòu)件，主要功能是靈活移動(dòng)錨桿鉆機(jī)、固定錨桿支護(hù)孔位等。施工時(shí)通過油缸配合錨臂的升降、擺動(dòng)等操作，實(shí)現(xiàn)伸縮臂的靈活移動(dòng)，縮短錨桿鉆機(jī)與施工對(duì)象間的距離，便于開展錨桿支護(hù)工作，伸縮臂的靈敏度在一定程度上決定了錨桿支護(hù)工作的效率。按照支護(hù)工作量與錨桿（索）數(shù)量的比例關(guān)系，支護(hù)工作對(duì)錨桿鉆機(jī)的伸縮臂提出了相應(yīng)的要求，主要體現(xiàn)在伸縮臂活動(dòng)的速度、靈敏度、準(zhǔn)確率、耐用性、剛度、硬度等方面[5-6]。

完成掘進(jìn)設(shè)備的支護(hù)工作后，為了避免錨桿鉆機(jī)的伸縮臂與掘進(jìn)機(jī)控制臺(tái)產(chǎn)生碰撞，設(shè)備生產(chǎn)廠家需要擴(kuò)大錨桿鉆機(jī)伸縮臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)間的距離，根據(jù)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，還需要考慮伸縮臂的最大伸縮距離以及伸縮臂的剛度和靈敏度。通常情況下，伸縮臂的最大伸縮距離大約要控制在50 cm，設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要分為新型單臂伸縮臂和四連桿式伸縮臂，其他的結(jié)構(gòu)形式較為少見[7]。

CMZY4-200/35 型號(hào)的鉆裝掘錨機(jī)為模塊化組合結(jié)構(gòu)如圖1 所示，功能較為豐富，主要包括鉆孔鉆進(jìn)、出渣、圍巖支護(hù)，可實(shí)現(xiàn)智能布孔、精準(zhǔn)定位。設(shè)備運(yùn)行時(shí)基于分組控制，在液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的協(xié)同作用下可開展圍巖支護(hù)、外運(yùn)矸石、鉆進(jìn)炮眼等系列作業(yè)。

圖1 CMZY4-200/35 鉆裝錨掘機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 中深孔爆破技術(shù)

綜合考慮南三采區(qū)集中回風(fēng)巷的基本情況后，選擇預(yù)裂爆破技術(shù)破巖：首先在輪廓線布置周邊眼；其次引爆周邊眼（需嚴(yán)格按照要求使用煤礦許用炸藥）。周邊眼被引爆后，形成破裂面，破裂面相互貫通；第三步主體爆破，可采用掏槽眼的方法，并對(duì)堅(jiān)硬的巖體進(jìn)行碎碎掘進(jìn)。從工藝方面分析，中深孔爆破需要滿足下述要求[8]：本項(xiàng)目中布置間距450 mm 布置周邊眼。在正常情況下，周邊眼間距宜控制在250～450 mm。按照450～500 mm 的間距布置二圈眼，二圈眼到周邊眼的距離為500 mm。該距離一般以1～1.3 倍周邊眼間距為宜。將尺寸為Φ25 mm 的小藥卷裝入周邊眼內(nèi)，結(jié)構(gòu)為不耦合正向連續(xù)裝進(jìn)，需裝入70～150 g 藥卷。

引爆周邊眼時(shí)所采用的電備管必須為同一段毫秒電雷管，分2 次引爆巷道頂部炮眼。第一次起爆二圈眼、內(nèi)炮眼先裝藥；第二次爆破周邊眼及二圈巖裝藥。巖石經(jīng)過2 次爆破后，表現(xiàn)為光面層。

2.3 掘進(jìn)技術(shù)方案

該項(xiàng)目在打眼、出矸、支護(hù)中均使用CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)，整個(gè)項(xiàng)目為全斷面中深孔爆破掘進(jìn)。掘進(jìn)迎頭處以正向裝藥中深深炮眼，毫秒延時(shí)電雷管引爆1～5 段，分裝裝藥、分次爆破。現(xiàn)場(chǎng)施工中，爆破一班主要負(fù)責(zé)鉆進(jìn)炮眼、退機(jī)，在安全區(qū)域開展爆破作業(yè)；支護(hù)一班負(fù)責(zé)板錨桿施工、錨索等，所使用的設(shè)備為MQT-130 鉆機(jī)；平行出矸，使用的設(shè)備為CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)。出矸后，支護(hù)二班負(fù)責(zé)施工巷幫錨桿，所使用的設(shè)備型號(hào)為CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)。掘進(jìn)過程中通過帶式輸送機(jī)將迎頭產(chǎn)生的矸石輸送至臨時(shí)矸石倉，并由礦車運(yùn)輸，快速運(yùn)出矸石。

3 應(yīng)用效果分析

引入堅(jiān)硬巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)后，每月可掘進(jìn)95.6m，每月掘進(jìn)速度提高了36.6%（傳統(tǒng)方法平均每月可掘進(jìn)70 m）。此外，相較于傳統(tǒng)人工鉆爆法，該技術(shù)可顯著改進(jìn)作業(yè)環(huán)境，緩解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作壓力、勞動(dòng)強(qiáng)度。

據(jù)悉，應(yīng)用堅(jiān)硬巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)后，南三采區(qū)集中回風(fēng)巷現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)：

1）作業(yè)點(diǎn)人數(shù)有所降低。如采用傳統(tǒng)掘進(jìn)法，每個(gè)圓班需要50 名作業(yè)人員；引入該技術(shù)后每個(gè)班組只需要32 個(gè)人即可完成巷道掘進(jìn)。作業(yè)人員普遍反映引入CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)后，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度[9]。

2）掘進(jìn)速度得以提升。傳統(tǒng)的掘進(jìn)方法，平均每月可進(jìn)尺掘進(jìn)巷道70 m；引入快速掘進(jìn)技術(shù)之后，每月掘進(jìn)速度提升了25.6 m，速度提升了36.6%。綜上，運(yùn)用快速掘進(jìn)技術(shù)顯著提高單月掘進(jìn)進(jìn)尺，更有利于開拓礦井。

3）現(xiàn)場(chǎng)采用自動(dòng)化程度高。鉆裝掘錨機(jī)型號(hào)為CMZY4-200/35，該設(shè)備占用空間小，工作簡便，可減少掘進(jìn)迎頭供電線路，后續(xù)維護(hù)簡便。成本方面，本項(xiàng)目掘進(jìn)回風(fēng)巷平均成本為7081 元/m；其中掘進(jìn)回風(fēng)巷需要2586 元/m 人工成本、1470 元/m 機(jī)械成本、3025 元/m 材料成本。綜上，采用堅(jiān)硬巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)綜合成本更低，為南三采區(qū)集中回風(fēng)巷掘進(jìn)節(jié)省大量成本。

4 結(jié)語

如采用傳統(tǒng)人工鉆爆法，不利于南三采區(qū)集中回風(fēng)巷施工，存在掘進(jìn)進(jìn)尺速度慢、作業(yè)量大、環(huán)境惡劣等問題，影響礦井南三采區(qū)施工進(jìn)程。因此，決定引入工作可靠、自動(dòng)化、功能齊全的CMZY4-200/35 鉆裝掘錨機(jī)礦井南三采區(qū)的巷道，并綜合運(yùn)用中深孔爆破。實(shí)踐表明該采區(qū)通過引入堅(jiān)硬巖層巷道快速掘進(jìn)技術(shù)顯著減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，包括掘進(jìn)巷道、輔助運(yùn)輸?shù)取Ｃ吭戮蜻M(jìn)巷道95.6 m，單月掘進(jìn)速度提升了36.6%，作業(yè)施工人數(shù)減少36%，僅需32 人就可完成原來50 人才可完成的工作。綜上，堅(jiān)硬巖巷快速掘進(jìn)技術(shù)可顯著提高炮眼施工、巷道圍巖支護(hù)效率。此外，創(chuàng)新、升級(jí)、研發(fā)的新型懸臂式掘錨機(jī)的鉆臂，為新型掘進(jìn)設(shè)備在施工中的推廣和應(yīng)用貢獻(xiàn)了力量，推動(dòng)新型掘進(jìn)設(shè)備淘汰傳統(tǒng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿機(jī)協(xié)作模式的速度，一定程度上奠定了掘進(jìn)工作機(jī)械化、智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，有利于錨桿（索）支護(hù)工作的開展，提高工作效率。