高抽巷機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)的實(shí)踐

云 文

（霍州煤電集團(tuán)興盛園煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 031400）

煤炭行業(yè)的發(fā)展促使礦井尤其是綜采工作面的效率逐步提升。然而，目前綜掘巷道多布置在巖巷中，巖石硬度大，加之智能化程度低，導(dǎo)致掘進(jìn)效率遠(yuǎn)低于采煤效率，采掘接替是目前煤礦實(shí)現(xiàn)高效安全生產(chǎn)的一個突出問題。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)興盛園煤業(yè)位于山西省霍州市，井田面積為 6.425 7 km2，保有地質(zhì)儲量4897 萬t，設(shè)計開采儲量2 020.6 萬t，開采 1#、2#、10#、11#煤層，設(shè)計生產(chǎn)能力為90 萬t/a。101 高抽巷位于采區(qū)回風(fēng)下山北側(cè)，東臨150101 回風(fēng)順槽（未掘），西、南部為煤層實(shí)體，均未采動。101 高抽巷設(shè)計長度為1117 m，用于101 工作面排瓦斯使用。101 工作面煤層厚度為3.24～9.02 m，平均厚度為6.44 m，煤層埋深514～545 m。煤層及頂?shù)装逯鶢顖D如圖1。

圖1 101 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2 原巖巷快速掘進(jìn)情況分析

（1）巖巷掘進(jìn)裝備專業(yè)化程度低

興盛園煤業(yè)巖巷掘進(jìn)裝備專業(yè)化程度低，沒有專門針對瓦斯高抽巷特殊工況的掘進(jìn)系統(tǒng)，掘進(jìn)效率低，掘滯后于采。該煤礦巖巷掘進(jìn)主要有以下方法：

① 炮掘工藝。傳統(tǒng)巖巷炮掘主要特點(diǎn)為：打炮眼及裝藥準(zhǔn)備時間長，進(jìn)尺效率低，炮掘進(jìn)尺效率平均75～110 m/月；炮掘?qū)ο锏勒w穩(wěn)定性破壞較大，巷道后期使用安全的不確定性較大；巷道成型不整齊，對錨護(hù)造成一定困難；振動大，對巖石產(chǎn)生破壞，巷道后期使用過程中會經(jīng)常出現(xiàn)落料，需要頻繁放頂修復(fù)。

② 懸臂式掘進(jìn)機(jī)。該煤礦井下巖巷采用的掘進(jìn)機(jī)最小截割斷面面積均在13 m2以上，進(jìn)尺效率平均在95～155 m/月，施工斷面大，收、運(yùn)料成本高，錨、護(hù)成本高，綜合經(jīng)濟(jì)效益較低。

③ 小型盾構(gòu)機(jī)。小型全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)施工斷面面積可達(dá)到7～8 m2，但設(shè)備費(fèi)用較高，先期投入較大；全斷面掘進(jìn)機(jī)施工過程中只可前進(jìn)，不可后退，靈活性不好。

（2）巖巷的層位選擇無定量描述

不同開采條件的構(gòu)造場、應(yīng)力場、裂隙場和瓦斯場等地質(zhì)條件復(fù)雜，地區(qū)差異性較大，但是該煤礦高抽巷的層位選擇缺乏科學(xué)定量描述。

（3）礦建經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)保壓力大

該煤礦開拓巷、高抽巷普遍存在煤巖硬度高、掘進(jìn)工作面粉塵量大、運(yùn)輸排矸石量大等問題，礦建經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)保壓力日益增加。

基于以上原因，該礦巖巷掘進(jìn)施工速度慢、效率低。設(shè)計一套適合高抽巷、整機(jī)靈活性好、可截割硬巖、進(jìn)尺速度快、除塵效果好、施工綜合效率高的掘進(jìn)方案[1-6]是非常具有實(shí)際意義的。

3 巖巷小斷面機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)的設(shè)計

以興盛園煤業(yè)101 小斷面高抽巷為研究對象，通過引進(jìn)EBZ-280C 小斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)，并針對性制定巖巷快速掘進(jìn)工藝，可實(shí)現(xiàn)巖巷的快速掘進(jìn)。

3.1 合理層位選擇

高抽巷主要是用來排放工作面的瓦斯，其位置一般選擇在裂隙帶中下部，在保障安全的前提下，選擇合理層位，是實(shí)現(xiàn)其快速掘進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1.1 巖石強(qiáng)度測試

對巷道圍巖屬性及煤層延伸性探測感知測試，針對不同巖性巖石，優(yōu)選最有效的破巖方式，是提高機(jī)械鉆掘效率的前提，因此，需要對巷道圍巖進(jìn)行巖石地質(zhì)力學(xué)測試，研究巖石在不同動靜組合荷載作用下的破裂機(jī)理及裂隙發(fā)展規(guī)律，可為掘進(jìn)機(jī)截割參數(shù)確定提供參考。

將101 高抽巷巖石制備成Φ50 mm×100 mm的巖樣，經(jīng)MTS816 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測試，可得101 工作面直接頂砂質(zhì)泥巖、老頂細(xì)粒砂巖、泥巷的硬度指數(shù)f 分別為3～4、5～6、2～3。

3.1.2 工作面頂板裂隙帶層位

厚煤層分層開采的冒落帶高度可采用公式（1）計算，裂隙帶高度可采用公式（2）計算。

式中：H冒為冒落帶高度，m；H裂為裂隙帶高度，m；M為各巖層厚度，m。計算可知H冒為煤層頂板上11～15 m 位置，H裂為頂板以上15～55 m 位置。

采用FLAC3D/PFC 模擬計算軟件，模擬結(jié)果表明冒落高度為10～15 m 位置，裂隙帶分布在頂板15～35 m 位置。

綜上所述，101 工作面上覆巖層冒落高度和裂隙帶高度分界線約在煤層15 m 處位置，因此101高抽巷合理布置層位為3#煤層頂板向上約15～18 m處位置。

3.2 巷道斷面及支護(hù)優(yōu)化

3.2.1 巷道斷面優(yōu)化

EBZ-280C 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身尺寸為：長12.4 m，鏟板寬2.6 m，機(jī)身寬2.38 m，履帶外側(cè)寬2.38 m，機(jī)身高1.8 m，截割部水平最高2.3 m，一運(yùn)尾端高1.98 m。結(jié)合機(jī)身身尺，確定101 高抽巷巷道寬度×高度=3.9 m×3.3 m。

3.2.2 巷道支護(hù)優(yōu)化

對101 高抽巷支護(hù)方案和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2。頂錨桿采用Φ22 mm×M24×2400 mm 的高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋，采用端頭樹脂錨固，錨桿排距1200 mm；頂錨索采用Φ18.9 mm×5000 mm 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，采用端頭樹脂錨固，采用“1-0-1”布置。

圖2 101 高抽巷斷面支護(hù)示意圖（mm）

3.3 主要裝備及配套

3.3.1 巖巷掘進(jìn)機(jī)

采用最小斷面掘進(jìn)機(jī)，EBZ280C 型巖巷掘進(jìn)機(jī)是適合高抽巷掘進(jìn)且綜合經(jīng)濟(jì)性最好的巖巷掘進(jìn)機(jī)。該掘進(jìn)機(jī)為小斷面、小體積、大功率、高功率密度、超長質(zhì)保的黑金剛級巖巷掘進(jìn)機(jī)。該機(jī)通過設(shè)備結(jié)構(gòu)、配置優(yōu)化實(shí)現(xiàn)與原EBZ260/280 掘進(jìn)機(jī)相比截割斷面減少30%，系統(tǒng)綜合壽命提高50%；對巷道控塵技術(shù)做綜合研究并達(dá)到有效控塵。整機(jī)外形尺寸縮小后確保配置不變、動力不降，合理化增重并優(yōu)化重心，確保整機(jī)截硬巖動力充沛，穩(wěn)定性更好。

該機(jī)經(jīng)濟(jì)截割巖石硬度f≤8，最大截割硬度f可達(dá)10，重量達(dá)82 t（不含二運(yùn)），最小截割斷面為 8.2 m2。斷面減小后，收運(yùn)料成本、鋪?zhàn)o(hù)成本、截齒損耗、維護(hù)成本等直接經(jīng)濟(jì)效益提高30%以上。斷面跨度小，桿間距還可進(jìn)一步加大，綜合經(jīng)濟(jì)效益可提高40%以上。斷面小，少排料，利于環(huán)保。按單位時間段計算，成形小、斷面進(jìn)尺快，進(jìn)尺可提升30%以上。該機(jī)采用“閉式液壓系統(tǒng)”，使整機(jī)液壓系統(tǒng)閥組、管路進(jìn)一步優(yōu)化，液壓油量減少40%。該系統(tǒng)具有清潔、環(huán)保、節(jié)能、少故障、便維護(hù)、壽命長等特點(diǎn)，是掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的重大變革。

3.3.2 帶式輸送機(jī)的選擇

為能配套EBZ-280C 掘進(jìn)機(jī)的割巖作業(yè)，滿足施工現(xiàn)場的安全可靠運(yùn)輸?shù)囊螅_定配套采用QZP-160A 型橋式皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)+SJP-1000 皮帶機(jī)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在101 工作面3#煤層頂板向上約15～18 m 處位置布置101 高抽巷，應(yīng)用EBZ-280C 型小斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工作業(yè)+配套機(jī)械化快速掘進(jìn)工藝，取得了較好的效果。

首月進(jìn)尺247.35 m，有效平均進(jìn)尺7.83 m/d，單日最大進(jìn)尺達(dá)13.6 m，首月后單日進(jìn)尺均超過11.5 m。對比該煤礦以往炮掘，月平均進(jìn)尺提高58.6%，日平均進(jìn)尺提高95%，成效顯著。該巖巷機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)能提高巷道施工效率，加快巷道和工作面布置。

經(jīng)計算，該巖巷機(jī)械化快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用后，每掘進(jìn)1 m 的綜合費(fèi)用從以往炮掘的6 105.4 元降低至5 203.7 元，每1 m 可節(jié)約901.7 元，預(yù)測完成101 高抽巷的施工約可節(jié)約100 萬元。