我國煤礦巖巷快速掘進(jìn)作業(yè)線現(xiàn)狀及其制約要素分析

余長宏,李 波,寧掌玄 ,劉曉杰,陳濤濤

(1.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院, 山西 大同 037003;2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同忻煤礦山西有限公司, 山西 大同 037038)

改革開放以來,我國煤礦因巖巷掘進(jìn)困難,逐漸取消了巖石集中巷,導(dǎo)致國有重點(diǎn)煤礦的全巖巷道占巷道年掘進(jìn)的比例不足10%. 20世紀(jì)80年代前后,我國煤礦巖巷掘進(jìn)以鉆爆法為主,每月掘進(jìn)進(jìn)尺維持在60 m左右。21世紀(jì)以來,我國為了提高采礦效率和安全性,大量引進(jìn)國外先進(jìn)采掘設(shè)備,煤礦每年新掘進(jìn)巷道中巖巷的占比逐漸提升至20%左右,巖巷的平均月掘進(jìn)量提升到100 m左右。但是,相較煤巷的月掘進(jìn)量,巖巷的月掘進(jìn)量還存在很大提升空間。因此,為了解決巖巷掘進(jìn)中遇到的問題,推進(jìn)巖巷掘進(jìn)的智能化建設(shè),對現(xiàn)階段煤礦巖巷掘進(jìn)作業(yè)線進(jìn)行了科學(xué)分析,歸納了限制其發(fā)展的因素,展望了煤礦巖巷掘進(jìn)的發(fā)展趨勢。

1 現(xiàn)有煤礦巖巷快速掘進(jìn)作業(yè)線分析

1.1 鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線

由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)有限的破巖能力以及全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)在軟巖和破碎巖層中的低效率問題,鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線仍然是巖巷掘進(jìn)的主要施工方式之一。鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線的破巖原理是利用裝入鉆孔中的炸藥爆炸時產(chǎn)生的沖擊波及爆炸物做功來破碎巷道巖層,然后對破碎的煤巖進(jìn)行清理和采取。鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線可細(xì)分為鑿巖機(jī)配合裝巖機(jī)作業(yè)線和鑿巖臺車配合側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線(圖1)兩種類型。鑿巖臺車配合側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線的工序流程一般包括以下幾個步驟:1) 布置現(xiàn)場,確定施工范圍并安裝設(shè)備。2) 使用鑿巖臺車在預(yù)定位置進(jìn)行鉆孔作業(yè)。3) 將爆破劑裝入鉆孔。4) 連接導(dǎo)火索和起爆器。5) 對現(xiàn)場環(huán)境和鉆孔進(jìn)行綜合檢查,確保人員和周圍設(shè)施的安全。6) 點(diǎn)燃導(dǎo)火索或啟動起爆器。7) 進(jìn)行前探梁臨時支護(hù)。8) 通過裝巖機(jī)清除矸石。9) 進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)。

圖1 鑿巖臺車配合側(cè)卸裝巖機(jī)作業(yè)線示意圖

煤礦巖巷掘進(jìn)中常用的鑿巖機(jī)型號有YT7655、YT28和YT29等,常用的鑿巖臺車型號有CMJ2-17、CMJ2-18、CMJ2-27等[1]. 表1為4種鑿巖設(shè)備的性能對比,通過表1可以發(fā)現(xiàn),鑿巖機(jī)和鑿巖臺車都適用于硬巖巷道掘進(jìn),但是兩者間的沖擊功有很大的差異,沖擊功越大鑿巖速度越快。

表1 鑿巖設(shè)備性能對比表

周述峰等[2]對鑿巖臺車和氣動鑿巖機(jī)在嵩縣山金礦業(yè)的應(yīng)用效果進(jìn)行了對比,結(jié)果表明,CYTJ45B鑿巖臺車的鉆進(jìn)速率大約是YT28氣動鑿巖機(jī)的6.3倍,單個作業(yè)面的鑿巖耗時僅為氣動鑿巖機(jī)的25%. 由于煤礦存在瓦斯與粉塵等問題,限制了一部分鑿巖臺車的應(yīng)用,因此煤礦鑿巖臺車的應(yīng)用比率遠(yuǎn)低于金屬礦山。馬力等[3]在祁東煤礦對CMJ2-18鑿巖臺車和YT7655鑿巖機(jī)的應(yīng)用效果進(jìn)行了對比,結(jié)果表明,YT7655的鉆孔速度為0.2～0.3 m/min,CMJ2-18的鉆孔速度為1.3～2.1 m/min,大約提升了6.5倍;YT7655的施工人數(shù)是6—8人,CMJ2-18的施工人數(shù)僅為2人。煤礦巖巷斷面的尺寸普遍較小,且設(shè)備繁多,不適合使用較大的鑿巖臺車進(jìn)行開采,限制了鑿巖臺車在煤礦巖巷掘進(jìn)中的應(yīng)用。

鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線可以適用于各種不同類型的煤礦巖巷,特別是在普氏硬度系數(shù)f>8的巖巷掘進(jìn)中效果更為明顯,操作簡單,具有較高的靈活性;缺點(diǎn)是巷道成形質(zhì)量較差,炮眼利用率較低,超挖量大,而且工序繁雜,需要的工人數(shù)量較多。該作業(yè)線適用于巷道短、地質(zhì)條件較復(fù)雜的巖巷掘進(jìn)。

1.2 懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線

煤礦巖巷采用的懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線主要由重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)、臨時支護(hù)設(shè)備、單體或機(jī)載錨桿鉆機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備組成,該作業(yè)線的平面示意圖見圖2. 懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線的工序流程一般包括以下步驟:1) 對巷道進(jìn)行支護(hù)、通風(fēng)等預(yù)處理。2) 安裝懸臂式綜掘機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備。3) 設(shè)置初始起點(diǎn)并確定掘進(jìn)方向和坡度。4) 啟動懸臂式綜掘機(jī),掘進(jìn)一刀然后關(guān)閉懸臂式掘進(jìn)機(jī)。5) 通過橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)將矸石運(yùn)出巷道。6) 支護(hù)加固:進(jìn)行臨時支護(hù);進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)。7) 對懸臂式綜掘機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)。懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)主要利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低(僅為抗壓強(qiáng)度的5%～10%)的特點(diǎn),靠切削與彎斷破碎巖體,具體來說,是通過截齒對作業(yè)面進(jìn)行高強(qiáng)度的切削、鉆進(jìn)等作業(yè)使巖層發(fā)生斷裂和變形來破碎煤巖。

圖2 懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線示意圖

經(jīng)過50多年對國外掘進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)與吸收,國產(chǎn)各種類型的掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)滿足了市場的需求,但總體性能參數(shù)偏低,元部件的可靠性、截割方式等核心技術(shù)方面仍有較大差距。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的重型掘進(jìn)機(jī)可經(jīng)濟(jì)截割巖石硬度普遍小于100 MPa,局部最大截割巖石硬度普遍小于130 MPa,國產(chǎn)重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的性能對比見表2.

圖3為EBZ318 H型掘進(jìn)機(jī)截割效率曲線圖[4],由圖3可知,EBZ318 H型掘進(jìn)機(jī)在普氏系數(shù)小于8的巖巷中掘進(jìn)時,切割用時控制在90 min內(nèi),截齒消耗量控制在0.5個/m. 圖4的柱狀圖為不同巖層普氏系數(shù)下截齒的消耗量。通過圖3和圖4可以看出,當(dāng)巖層普氏系數(shù)大于8后,切割時間和截齒消耗量都將成倍增加。由此可知,巖層普氏系數(shù)大于或等于9時,該機(jī)型無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)截割。通過Origin軟件的曲線擬合功能,制作了截齒消耗量的擬合曲線圖(圖4),分析了該曲線的擬合公式:

圖3 EBZ318H型掘進(jìn)機(jī)截割效率曲線圖

圖4 截齒消耗量柱狀圖和擬合曲線圖

y=y0+Aexp(R0x)

(1)

該公式為指數(shù)函數(shù),其中,y0為y的初始值,代表截齒的消耗量,y0=0.033 13±0.028 1;A是增長率,A=0.001 71±5.649 7;R0是增長常數(shù),R0=0.692 36±0.031 8;x代表巖石的普氏系數(shù);擬合公式的COD值為0.999 61,表明該公式的擬合效果很好。通過擬合公式,得出當(dāng)f分別為11和12時,截齒的消耗量將會達(dá)到3.51個/m和6.98個/m. 由此可以折射出一個現(xiàn)象,目前掘進(jìn)機(jī)對巖巷的適應(yīng)性還有所欠缺,尤其是截齒對巖巷的適應(yīng)性,這會嚴(yán)重阻礙掘進(jìn)機(jī)在巖巷中的推廣應(yīng)用。

掘進(jìn)機(jī)開采特點(diǎn)是掘進(jìn)效率高,巷道成形質(zhì)量好,煤層損失量少,采用液壓驅(qū)動,降低了掘進(jìn)成本。此外,掘進(jìn)機(jī)可以通過更改鉆頭類型來掘進(jìn)不同類型的巖層,進(jìn)一步提高掘進(jìn)效率。掘進(jìn)機(jī)在開采普氏系數(shù)大于12的巖層時,經(jīng)常會出現(xiàn)截齒易磨損、斷裂等問題,進(jìn)而導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)損壞。目前,掘進(jìn)機(jī)的研究方向主要集中在智能截割技術(shù)、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控技術(shù)、智能導(dǎo)航技術(shù)和智能協(xié)同控制技術(shù)等4個方面[5]. 在掘進(jìn)機(jī)截齒的研究上,主要集中在截齒材料、結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)等方面。

1.3 TBM掘進(jìn)作業(yè)線

作為世界上最先進(jìn)的巖巷掘進(jìn)作業(yè)線,TBM實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、支護(hù)、出渣、通風(fēng)除塵等施工工序的同步作業(yè)。TBM的主要組成部分包括刀盤、刀盤支撐裝置、推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)架、除塵系統(tǒng)等,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5.

TBM掘進(jìn)作業(yè)線的工序流程一般包括以下步驟:1) 開展原地掏槽工作。2) 將TBM安裝在原地掏槽完成的平面上,并進(jìn)行校準(zhǔn)和系統(tǒng)檢查。3) 將TBM推入掘進(jìn)孔中,通過旋轉(zhuǎn)刀盤和刀架上的刀具對巖體進(jìn)行切削,同時使用螺旋輸送機(jī)將挖掘出的巖屑和煤渣從掘進(jìn)孔中排出。4) 進(jìn)行斷面支護(hù)和煤塵控制等。5) 定期對TBM及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)。TBM掘進(jìn)作業(yè)線主要是通過水平推進(jìn)油缸使刀盤上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體,并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體。

近年來,隨著TBM結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,TBM逐漸在煤礦巷道建設(shè)中得到推廣試用,表3是TBM在我國煤礦中的部分試用案例[6]. 根據(jù)試用情況分析,TBM作業(yè)線的掘進(jìn)速度是鉆爆作業(yè)線的3～10倍,是綜掘作業(yè)線的2～8倍,TBM的施工成本約0.9萬元/m,約是鉆爆作業(yè)線施工成本的42.86%[7]. 根據(jù)這些試用案例得出了影響TBM掘進(jìn)的一些因素[8]:1) 巖體完整性:當(dāng)巖體完整性小于0.35時,頂板容易發(fā)生坍塌、失穩(wěn)。2) 巖石普氏系數(shù):適用于巖石普氏系數(shù)f在3～15的中硬-堅硬巖層掘進(jìn)。 3) 巷道埋深:煤礦巷道的埋深越大,TBM的適應(yīng)性越差。4) 地下水:不易探明的地下水嚴(yán)重阻礙了TBM的掘進(jìn)速度。

表3 TBM在我國煤礦中的部分試用案例表

TBM在適宜的地質(zhì)條件下具有比鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線和懸臂式掘進(jìn)作業(yè)線更高的掘進(jìn)效率和更低的風(fēng)險水平。此外,由于TBM的自動控制水平比較高,操作人員可及時掌握掘進(jìn)數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況和TBM的機(jī)械狀態(tài),從而使得掘進(jìn)過程中的誤差和偏差得到及時糾正,保證了巷道掘進(jìn)質(zhì)量。煤礦巖巷的斷面相對于隧道工程普遍較小,而且還要做到“逢掘必探”,這就增加了TBM的設(shè)計難度。文獻(xiàn)[9]還指出TBM需要挖掘一定長度的巷道才能證明其成本,如果巷道長度小于2.5 km時,使用TBM并不是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

不同巖石硬度需要使用不同的工具和方法來進(jìn)行破巖。具體適用性如下:1) 軟巖可以使用懸臂式綜掘機(jī)等切割式的工具。2) 中硬巖可以使用TBM等鉆進(jìn)和沖擊配合的方式。3) 對于硬巖來說,鉆孔和爆破是最常用的方法。

通過上述分析可列出3種作業(yè)線的參數(shù)對照表,見表4[10-12].

表4 3種作業(yè)線參數(shù)對照表

2 臨時支護(hù)裝置的研究現(xiàn)狀

2.1 前探梁臨時支架

前探梁臨時支架由鋼管、吊環(huán)以及方木組成,多用于鉆爆法掘進(jìn)工作面。使用時,將吊環(huán)固定在迎頭工作面前3排錨桿托盤上,然后將前探梁穿進(jìn)吊環(huán)內(nèi)且至少貫穿兩個吊環(huán),最后將方木穿進(jìn)前探梁上部。該支護(hù)方式為被動支護(hù),對頂板沒有初撐力,且接觸面積小,需人工移動,可靠性差。前探梁臨時支護(hù)裝置平面圖見圖6. 高寶安等[13]在提出的新型前探梁臨時支護(hù)裝置中使用固定調(diào)節(jié)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吊環(huán),使前探梁距離頂板的距離由200～250 mm縮短至30～60 mm,同時增強(qiáng)了前探梁在18°～25°傾斜巷道中的適應(yīng)性。

圖6 前探梁臨時支護(hù)裝置平面圖

2.2 單體支柱加橫梁式臨時支架

該支護(hù)方式為被動支護(hù),需要人工在空頂下作業(yè),且操作復(fù)雜,勞動強(qiáng)度大,支護(hù)效率低,不能貼近迎頭支護(hù)導(dǎo)致頂板暴露時間過長,從而造成頂板冒落、掉矸,主要應(yīng)用在鉆爆法掘進(jìn)工作面。單體支柱結(jié)構(gòu)示意圖見圖7. 張倩[14]研制了DWL型臨時單體液壓支柱,該支柱的外筒、活塞等零部件采用玻璃鋼材質(zhì),大幅降低了支柱重量。近年來,對單體支柱的研究向著輕型化方向發(fā)展,同時,還加大了對環(huán)保介質(zhì)和智能密封檢測系統(tǒng)的研發(fā)投入。

圖7 單體支柱結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 機(jī)載式臨時支架

機(jī)載式臨時支架(圖8)是在懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)臂上方加裝了可升降的支撐支架,在掘進(jìn)機(jī)停止掘進(jìn)時,支撐支架負(fù)責(zé)空頂區(qū)的支護(hù)工作,掘進(jìn)和支護(hù)交替作業(yè)。金峰等[15]對掘錨機(jī)機(jī)載臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,增加了前探支護(hù)功能和錨網(wǎng)吸附結(jié)構(gòu),增大了支架的支護(hù)面積,加強(qiáng)了對錨網(wǎng)的吸附能力。該類型支架可及時對頂板進(jìn)行支護(hù),操作簡單便捷,且節(jié)省了工序轉(zhuǎn)換時間。但該裝置對頂板施加的初撐力小于自移式臨時支架,且初撐面積有限,還存在反復(fù)支撐頂板現(xiàn)象,不利于穩(wěn)定性差的頂板支護(hù)。

2.4 自移式臨時支架

自移式臨時支架主要應(yīng)用在懸臂式綜掘機(jī)掘進(jìn)工作面,可分為邁步式臨時支架和履帶式臨時支架。邁步式臨時支架(圖9)是依靠滑軌和液壓油缸實(shí)現(xiàn)支架的自動前移,通過雙向液壓立柱完成頂板支護(hù)。該支架分為主、副兩套支架,支護(hù)時,兩套支架同時支撐巷道;行走時,主(副)支架收縮,副(主)支架繼續(xù)支撐巷道,主(副)支架在液壓油缸的推動下,通過導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)前移。王東杰等[16]設(shè)計了一種適用于自移式臨時支架的胡克鉸,分散了鉸接處的應(yīng)力分布,提高了支架的整體安全性。邁步式支架存在反復(fù)支撐、碾壓頂、底板現(xiàn)象,容易對頂、底板造成二次傷害。

圖9 邁步式臨時支架示意圖

履帶式臨時支架主要依靠履帶等行走機(jī)構(gòu)完成前移動作。李榮麗[17]運(yùn)用負(fù)荷傳感技術(shù)和電比例技術(shù)組建了閥控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了履帶式超前支護(hù)液壓裝置的無極調(diào)速。李瑞等[18]設(shè)計了一種基于履帶支護(hù)車的自移式臨時支架,同時針對底板地質(zhì)條件不均勻和支撐立柱處于不同基準(zhǔn)面的現(xiàn)狀采用異步耦合調(diào)平控制方法進(jìn)行梁架調(diào)平,該方法的同步誤差值控制在±1 mm范圍內(nèi),相較于模糊PID控制縮短了±3 mm. 履帶式支架雖然避免了對頂板的反復(fù)支撐,但對于破碎頂板的支護(hù)能力還有待提升。

綜上所述,對4種臨時支護(hù)方式進(jìn)行對比分析,見表5.

表5 臨時支護(hù)方式對比表

3 煤礦巖巷作業(yè)線配套選型方法

鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線:鑿巖臺車將成為巖層普氏系數(shù)為15～18的巷道掘進(jìn)的主要方式。因此,針對上述限制因素提出以下展望:1) 優(yōu)化鑿巖臺車的掏槽方式,減少掏槽數(shù)量的同時增加鑿巖臺車對巷道斷面的適應(yīng)性。2) 加快提升高精尖設(shè)備的防爆水平,使高性能鑿巖臺車盡快投入到煤礦巷道的建設(shè)中。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線:由于該作業(yè)線適應(yīng)性強(qiáng),可以布置在巖體完整性較小、巖層普氏系數(shù)小于13的巖巷掘進(jìn),為了增加作業(yè)線的經(jīng)濟(jì)性,截齒材料和耐磨涂層材料的研發(fā)至關(guān)重要,使截齒的經(jīng)濟(jì)截割硬度達(dá)到130 MPa.

TBM掘進(jìn)作業(yè)線:TBM掘進(jìn)作業(yè)線將成為巖層普氏系數(shù)在3～15的長距離巷道掘進(jìn)的主要方式,且需要巖體完整性較好。因此,該作業(yè)線還需要在探測技術(shù)方面做進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 語

巖巷單軸抗壓強(qiáng)度范圍廣,單一作業(yè)線很難適應(yīng)不同條件下的巖巷掘進(jìn),因此,針對不同的地質(zhì)條件,選取合適的作業(yè)線才能達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。現(xiàn)階段,鉆爆法掘進(jìn)作業(yè)線、懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線和TBM掘進(jìn)作業(yè)線都需要進(jìn)一步研究改善,才能更好地解決采掘失衡和掘支失衡的難題。