淺析斜巷掘進工藝

張國新　薄海濤　徐忠軍　趙東日

摘 要：為了提高新采區(qū)開拓巷道的掘進速度，通過利用反井鉆機施工，開創(chuàng)了全新的斜巷施工工藝。首先將反井鉆機安裝在上水平，向下水平導孔鉆進，在下水平更換擴孔鉆頭，再由下至上鉆進，形成溜巖孔排矸。反井鉆機施工結束后，采用鉆眼爆破法由上至下掘進。此種斜巷施工工藝是以反井鉆機導孔為主要環(huán)節(jié)，通過對現(xiàn)有設備的改進，大大擴展了其在斜巷掘進中的應用。解決了傳統(tǒng)大傾角斜巷掘進中存在的危險性大、容易出現(xiàn)頂板事故、材料運輸較困難、工人勞動強度大、施工時間長等問題。

關鍵詞：反井鉆機；44°斜孔；掘進

在煤礦生產過程中，及時快速地為回采開拓出采煤工作面是確保礦井正常生產的前提，尤其是像大興煤礦這樣的“雙突”礦井，如何提高新采區(qū)開拓巷道的掘進速度，就成為了我礦管理及工程技術人員急需解決的重要課題。這使得我們不斷探索在采區(qū)開拓過程中，如何才能最大程度地采用先進的技術裝備，達到既滿足安全需要，又能實現(xiàn)井巷的快速掘進。此次44°斜巷掘進采用反井鉆進法施工的成功，為此類巷道實現(xiàn)安全、快速掘進提供了寶貴的經驗。

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

南五九層入風上山作為南五九層采區(qū)的安全出口之一，是采區(qū)開拓巷道中必不可少的一部分，起到行人、通風的作用。

南五九層入風上山是運輸中巷與軌道中巷之間聯(lián)絡巷，兩條中巷間距40m，高差為22m，入風上山巷道全長45m，其中44°斜長為40m，設計為三心拱斷面（寬4m、高2.8m），采用錨噴支護。

1.2 地質情況

斜巷圍巖巖性為泥巖、粉細砂巖互層，水平層理，夾中砂、粗砂巖及薄煤線，圍巖硬度適中，較有利于反井鉆機施工。

2 巷道施工方案選擇與施工

2.1 施工方案的選擇

本巷道施工共設計了兩套方案。

方案一：采用傳統(tǒng)炮掘方式。在兩條中巷中間設計一條30°斜巷，由下至上掘進，掘進工程量為88m，其中30°斜巷長為45m。

方案二：采用反井鉆機導孔施工。在兩條中巷中間設計一條44°斜巷，提前在下口掘進一個5m深硐室（為導孔貫通后上1.2m鉆頭使用），待反井鉆機施工結束后，采取由上至下的方式掘進，掘進工程量為45m，其中44°斜巷長為40m。

方案一是大傾角斜巷施工的常規(guī)方法，其優(yōu)、缺點如下。

優(yōu)點：上山掘進易于排矸，工作面無積水，大大降低了丟炮、落炮的發(fā)生。

缺點：上山掘進作業(yè)危險性大，容易出現(xiàn)頂板事故，材料運輸較困難，工人勞動強度大，施工時間長。

方案二是既要繼承方案一的優(yōu)點，又要避免其缺點而研究的一種全新的施工工藝。但其技術難點是如何使用現(xiàn)有的反井鉆機，滿足巷道設計要求，突破其施工傾角限制。

經過對相關技術的反復研究與討論，制定了對反井鉆機的安裝與使用的改進方案，使之在小傾角鉆進過程中始終保持穩(wěn)定的機身狀態(tài)，控制導孔鉆進的方位能夠在設計的范圍內。最終確定采取方案二施工。由圖可見，方案二比方案一節(jié)省進尺43m，且減少了兩個拐角。

2.2 鉆機選型

根據(jù)巖石條件、斜井長度及以往使用反井鉆機施工的經驗，選擇了ZFY1.2/120型 （LM-120）煤礦用反井鉆機施工。

ZFY1.2/120型 （LM-120）煤礦用反井鉆機主要部件技術參數(shù)：主機運搬尺寸（長寬高）2290*1110*1430mm，主機工作尺寸2977*1422*3277mm，主機重量6.0t，全液壓驅動電機功率66kW，導孔直徑244mm，擴孔直徑1200mm，最大鉆孔深度120m，出軸轉速5-33rpm，額定扭矩15kN·m，最大扭矩30kN·m，鉆頭允許最大推力250kN，擴孔最大拉力500kN，鉆孔傾角60-90°，鉆孔偏斜率≤1%，鉆桿直徑*有效長度？準182*1000mm。

2.3 鉆機的安裝及固定

ZFY1.2/120型 （LM-120）煤礦用反井鉆機由主機、液壓泵站及操作控制臺、鉆具部分、轉盤吊、機械手、鉆機平車、斜撐桿和輔助卸扣裝置等部分組成。由于此次斜巷傾角較小，鉆機設計斜撐桿的最小調節(jié)角度僅為60°，無法滿足44°反井施工的要求。因此此次施工的重點之一就是鉆機的穩(wěn)固問題，需要對其的穩(wěn)定方式、方法進行重新設計，以滿足施工的需要。

鉆機基礎具體步驟為：采取澆筑混凝土底座，并安設錨桿穩(wěn)固的底腳預埋件；上部采取“錨索-道木”剎頂；最后在主機與鉆機平車用斜撐桿連接后，再采用40T輸送機鏈條將上支撐缸和鉆機平車多點錨固的方式穩(wěn)固鉆機。鉆機穩(wěn)固示意圖，如圖2。

2.3.1 混凝土基礎的澆筑?；炷粱A的澆筑是鉆機穩(wěn)固的關鍵步驟之一，可以說鉆機的穩(wěn)固成與敗主要取決于此?；炷翝补嗟某叽鐬?000mm寬，上部厚度為800mm。根據(jù)地測部門給定的中心、腰線，澆灌出一座混凝土基礎臺，斜面的方位及傾角偏差？芨1°。在混凝土臺斜面上按鉆孔中心安設鉆機穩(wěn)定預埋件，并按預埋件孔位埋設10根？準22×2200mm錨桿，要求錨桿外露為200mm。值得注意的是，混凝土基礎在擴孔范圍內不能有鋼筋等物件，必須為素混凝土，以保證導孔、擴孔的質量及安全。防止因為鋼筋等剛性物件導致的導孔偏離，以及擴孔至混凝土基礎時因為鋼筋損毀，導致的混凝土基礎的整體垮塌而出現(xiàn)的安全事故。

2.3.2 基礎預埋件的使用。預埋件采用30mm厚鋼板制成，長2325mm，寬1340mm，矩形。在鋼板的幾何中心剪切出一個大于直徑1200mm圓的面積（圖中虛線為擴孔圓的面積），同時按鉆機底腳的尺寸鉆出四個配套的螺栓孔，用？準30mm螺栓將預埋件與鉆機連接。鋼板兩側如圖所示布置10個錨桿孔位。安設時，將四個？準30mm螺栓安設在預埋件上，并對角拉線，其交點即為開孔中心。沿混凝土基礎斜面平放校對中心后，用水平尺調整至水平后，將其錨固。

鉆機穩(wěn)固在混凝土預埋件上，預埋件由10根？準22×2200mm錨桿錨固，經單根錨桿拉拔力檢測，單根錨桿的拉拔力不小于10t。由上述內容可知，預埋件的整體拉拔力不小于100t，足以滿足反井鉆機的最大拉拔力為500kN，也就是50t拉拔力的技術要求。

2.3.3 鉆機安裝及角度調整

混凝土基礎澆灌及預埋件的安設完畢，并經過24小時的養(yǎng)生期后，開始進行鉆機機身的安裝及角度調整。

利用起重機通過頂板的起吊錨桿將主機吊入基礎平臺上，對位至連接螺栓并擰緊，在安裝上斜撐桿。使鉆機主體在和基礎平臺連接成一個整體的情況下，在通過斜撐桿將鉆機主體與鉆車平臺構成一個穩(wěn)定的三角結構。由于鉆機傾斜放置，且上支撐缸距頂板較遠，無法直接利用上支撐缸對鉆機進行穩(wěn)定，為此經過反復研究，決定采取用40t鏈條順鉆機機身方向，將鉆機上支撐缸與底板錨桿連接，使其達到對鉆機進行支撐穩(wěn)定的技術要求。

同時，為了進一步保證鉆機在使用期間的穩(wěn)定性，除了上述的常規(guī)穩(wěn)鉆手段外，還額外增加了“錨索-道木”剎頂，使鉆機的穩(wěn)定性得到了最大的保證。具體方法為：先在垂直機身上部的方向，以機身寬度為錨索間距，錨固兩個外露超過機身300mm的錨索。用預先加工的鋼板背在機身后，兩根錨索分別穿過鋼板（預先已鉆孔），上好鎖具。將準備好的木道木整齊的排列在鉆機與頂板之間，道木應該略長于錨索間距，這樣可以使錨索除了能起到緊固的作用，外還能對道木起到支撐的作用，防止了出現(xiàn)剎頂?shù)滥镜袈涞膯栴}。

結束了以上的步驟后，就要對鉆機進行角度的校對了。因為在基礎平臺的施工過程中已經對角度及方位進行了規(guī)范。這時只需要采用機身底腳自帶的調節(jié)功能進行微調即可，允許偏差在1%以內，確定無誤后對鉆車平臺機械手以下部份進行二次混凝土澆灌。

2.4 鉆具的組合使用

穩(wěn)定鉆桿與普通鉆桿的組合使用是保證44°小傾角鉆進精度的重要途徑，其組合方式與一般的豎井鉆進有著顯著區(qū)別，主要原則是靠近導孔鉆頭段加密布置穩(wěn)定鉆桿，20m以后為10m/根。此次施工連接導孔鉆頭的第1根為開孔鉆桿，以后分別在第3根、第6根、第10根、第15根、第21根、第31根使用了穩(wěn)定鉆桿，一共使用6根穩(wěn)定鉆桿，大幅度提高了鉆進精度。

2.5 反井施工工藝

2.5.1 導孔施工。開孔前應重新校對中心，尤其是導孔中心必須是鉆機的幾何中心。否則，穩(wěn)定鉆桿的穩(wěn)定翼將與鉆機下部棘輪套放生刮卡，阻礙施工的正常進行。在正常鉆進情況下，導孔鉆進采用高速鉆進。動力頭向下給適當壓力，正向旋轉即可。導孔施工速度不宜過快，且應保持連續(xù)鉆進。對于松軟地層和過度地層采用低鉆壓，對于硬巖穩(wěn)定地層采用較高鉆壓。本次地質巖性為泥巖、粉細砂巖互層和砂巖，對導孔較有利，平均每小時導孔鉆進2m。隨著導孔鉆進深度的不斷增加，加鉆桿停水前沖洗孔底的時間應適當增加（2-5min），在鉆透下水平透點3m左右，應逐漸降低鉆壓，并控制水壓，防止堵鉆。

2.5.2 對接鉆頭及擴孔施工。導孔鉆透后，將導孔鉆頭卸下，擴孔鉆頭對接至鉆桿處，通過鉆機控制鉆桿進退、旋轉將擴孔鉆頭對接牢固。擴孔前，以導孔為圓心人工挖掘一個深1m的擴孔導洞，防止擴孔開孔期間鉆頭劇烈晃動而損壞鉆頭鉆具鉆。提升時使用低鉆壓鉆進，并注意觀察油泵壓力變化，當擴孔鉆頭進入導洞并且達到額定壓力后，即可按正常工序鉆進。擴孔鉆進相對于導孔來說，其工序比較簡單。但應考慮斜孔提升過程中，巖壁對鉆頭軸向阻力的增加，所以應比常規(guī)擴孔鉆進速度有所降低，平均每小時擴孔鉆進1m。

2.6 擴斷面掘進施工

反井鉆機施工完畢后，將上部設備拆除，保留下水平運輸系統(tǒng)，為擴斷面排渣服務。擴斷面采用鉆爆法施工，其施工工藝類似煤倉擴孔，出巖經中心鉆孔自溜至下水平，巷道采用錨噴支護，循環(huán)進尺1.6m。

斜巷掘進期間人員采用固定梯子上下，梯子鋪設距工作面不大于10m，兩側有1m高扶手。為確保施工人員安全，防止墜物傷人及人員墜落，掘進期間必須采取以下安全措施：

（1）施工人員必須正確使用安全帶。（2）在斜巷上口安設護欄，并設專人警戒。（3）作業(yè)時，除放炮外，中心孔必須使用特制箅子進行封閉，箅子邊緣與孔壁搭接不小于400mm。箅子安設在孔底，做到下無浮貨、擺設均勻，聯(lián)結牢固。（4）下水平距孔底15m范圍內嚴禁有人。（5）掘進迎頭前傾至水平，實現(xiàn)以迎頭做臨時底板，為施工提供了一個水平寬敞的施工空間。

3 結束語

利用反井鉆機施工傾角44°的斜巷在國內應該是首例，尤其是44°鉆孔的施工更是開創(chuàng)了反井鉆機緩傾角施工的先河，導孔偏斜率僅為0.28%，精度完全能夠滿足同類施工的要求。

同時，采用反井鉆機施工工藝避免了上山斜巷施工片幫事故的發(fā)生，解決了下山出巖困難的問題，縮短了施工時間，為斜巷掘進開創(chuàng)了一個全新的、安全的、高效的施工工藝。

參考文獻

[1]徐永圻.煤礦開采學[M].中國礦業(yè)大學出版社，2004.

[2]東兆星，吳士良.井巷工程[M].中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[3]陶馳東.采掘機械[M].煤炭工業(yè)出版社，2005.

[4]劉志強.反井鉆機技術裝備及發(fā)展[J].煤炭科學技術，2001.

作者簡介：張國新（1967-），男，蒙古族，遼寧省朝陽市人，碩士，工程師，現(xiàn)任鐵煤集團大興煤礦副總工程師，研究方向：巷道掘進。