煤礦井下綜合高速掘進技術(shù)研究與應(yīng)用

劉彥林

（陽泉煤業(yè)集團翼城上河煤業(yè)有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

陽煤集團翼城上河煤業(yè)15 號煤層上距2 號煤層40.10～103.15 m，平均80.38 m。據(jù)勘探，該煤層在井田西部的ZK4-2 號鉆孔附近剝蝕，僅在ZK1 號鉆孔附近不可采，煤層厚度0.75～3.80 m，平均2.45 m，厚度變化較大，屬中厚煤層。其可采性指數(shù)為0.94、厚度變異系數(shù)為35.8%，煤層穩(wěn)定性程度經(jīng)定性和定量綜合分析，屬大部可采的穩(wěn)定煤層，含夾矸0～2 層，結(jié)構(gòu)簡單，頂板主要為石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土泥巖。由于該煤層頂板和底板的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在巷道掘進過程中機械化水平低、巷道掘進順序不合理，因此導(dǎo)致了巷道掘進速度慢，已經(jīng)成為限制綜采作業(yè)進一步提升的瓶頸因素。

經(jīng)過對影響巷道掘進效率的因素進行分析，影響掘進效率的主要原因是鑿巖設(shè)備打眼速度慢、裝巖和運輸設(shè)備銜接差、效率低，爆破一次合格率低，因此煤礦技術(shù)部門提出了優(yōu)化掘進技術(shù)方案。通過采用以液壓掘進鉆車與自動化挖掘裝載機聯(lián)合作業(yè)、鑿巖設(shè)備優(yōu)化、深孔光面爆破為核心的綜合高速掘進技術(shù)，有效提升了井下掘進效率，解決了煤礦井下的采掘失衡問題。

1 井下機械化作業(yè)技術(shù)改進

針對井下機械化作業(yè)效率低，鑿巖設(shè)備打眼速度慢、裝巖和運輸設(shè)備銜接差、效率低等問題，首先提出了采用液壓掘進鉆車與自動化挖掘裝載機聯(lián)合作業(yè)的方案，利用液壓掘進鉆車的鉆眼效率高、對復(fù)雜地形適應(yīng)能力強，以及挖掘裝載機對井下大坡度復(fù)雜地形條件下運輸穩(wěn)定性好的優(yōu)點，提升掘進過程中的破巖速度，煤巖的裝載和運輸效率也有效提高，實現(xiàn)了破巖與運輸?shù)钠胶庑?。掘進鉆車、裝載機、梭車聯(lián)合掘進、運輸聯(lián)合作業(yè)如圖1 所示。

圖1 井下掘進、運輸聯(lián)合作業(yè)結(jié)構(gòu)示意圖

采用全新的液壓掘進鉆車進行自動化打眼后，每一個炮眼的作業(yè)時間從原先的4.5 min 降低到了2.1 min，作業(yè)時間降低了53.3%。在井下進行鉆進作業(yè)時，設(shè)置炮眼的時間由最初的8 h，降低到了3 h，而且作業(yè)人員降低了70%，顯著提升了井下圍巖的掘進速度。由于采用了自動打眼作業(yè)，在整個打眼的過程中，作業(yè)人員始終處于永久支護結(jié)構(gòu)下，降低了勞動強度，同時也避免了采用傳統(tǒng)風(fēng)鉆鉆進作業(yè)時，作業(yè)人員在易冒頂區(qū)域的安全隱患，顯著提升了鉆進作業(yè)的安全性。

2 深孔光面爆破技術(shù)應(yīng)用

巷道掘進作業(yè)過程中的炮眼利用率直接決定了巖巷進尺的距離，影響巷道的實際掘進效率。由于傳統(tǒng)淺孔爆破技術(shù)方案爆破距離小，雖然能夠有效降低頂板的空頂距離，但需要多次爆破，而且循環(huán)進尺相對較小，無法滿足復(fù)雜、堅硬巖層條件下的巷道掘進需求，因此結(jié)合15 號煤層巷道的實際情況，提出了深孔光面爆破技術(shù)。根據(jù)對井下地質(zhì)情況的分析，其爆破孔深度設(shè)置為3.1 m。

為了滿足礦井下深孔爆破效率和安全性需求，在淺孔爆破的基礎(chǔ)上，對設(shè)置炮眼的掏槽方式、炮眼布置結(jié)構(gòu)以及炮眼內(nèi)裝藥的方向進行了優(yōu)化，提升了炮孔設(shè)置效率和爆破效果。由于15 號煤層底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土泥巖結(jié)構(gòu)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，掏槽眼深度過大易導(dǎo)致巖層垮落，因此在經(jīng)過多次驗證后，從鉆進效率、爆破效果、掏眼一次合格率等方面綜合考慮，最終確定掏眼深度為3.4 m，布置時采用一對中心眼加4 對楔形槽眼的布置結(jié)構(gòu)。

為了確保在爆破過程中巷道的成型效果，保證爆破后巷道四周的光面效果，將巷道四周的炮眼布置到距離巷道邊緣約0.1 m 處，該位置炮眼的深度約為3.1 m。根據(jù)巷道的尺寸，在巷道四周共設(shè)置了30 個周邊炮眼。在巷道底部設(shè)置7 個炮眼，深度設(shè)置為3.2 m。將巷道右側(cè)的水溝眼處設(shè)置1 個炮眼，該炮眼和周邊炮眼的距離為600 mm，確保對水溝眼處爆破的可靠性。在巷道內(nèi)部截面上炮眼采取和巷道截面一樣的拱形布置結(jié)構(gòu)，呈均勻狀態(tài)分布，使爆破形成連貫性，實現(xiàn)對內(nèi)部爆破的一次到位。巷道內(nèi)爆破孔布置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 煤礦井下爆破孔布置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

在爆破過程中，常用的裝藥方式為正向裝藥和反向裝藥兩個部分。正向裝藥進行爆破時，爆破方向從外向內(nèi)，爆破能量向內(nèi)釋放，比較適用于淺孔爆破。反向裝藥爆破時爆破能量從內(nèi)向外擴散，能夠?qū)崿F(xiàn)對深處圍巖更好的爆破效果。根據(jù)實際爆破需求，采用了反向裝藥爆破方案。

3 應(yīng)用效果分析

陽煤集團翼城上河煤業(yè)15 號煤層在采用新的綜合高速掘進技術(shù)后，對綜采面上的實際進尺情況和巷道成型質(zhì)量進行分析，發(fā)現(xiàn)自該高速掘進技術(shù)應(yīng)用后，月進尺由最初的67.6 m 提升到了目前的96.3 m，掘進效率提升了42.5%，實現(xiàn)了和綜采面綜采效率的動態(tài)平衡。同時在巷道掘進作業(yè)過程中，巷道斷面的一次成巷率提升了17.2%以上，顯示出了深孔光面爆破的實用性。優(yōu)化前后進尺率對比如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前后進尺數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

1）采用全新的液壓掘進鉆車進行自動化打眼后，每一個炮眼的作業(yè)時間從原先的4.5 min 降低了了2.1 min，作業(yè)時間降低了53.3%。在井下進行鉆進作業(yè)時，設(shè)置炮眼的時間由最初的8 h，降低到了3 h，而且作業(yè)人員減少了70%，顯著提升了井下圍巖的掘進速度。

2）反向裝藥爆破時爆破能量從內(nèi)向外擴散，能夠?qū)崿F(xiàn)對深處圍巖更好的爆破效果。

3）采用新的高速掘進技術(shù)后，月進尺由最初的67.6m 提升到了目前的96.3m，掘進效率提升了42.5%。