18503煤巷掘進(jìn)快速施工方案優(yōu)化

白劍軍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

本文以斜溝煤礦18503工作面為研究對(duì)象，以巷道掘進(jìn)施工時(shí)間最小化為原則，提出多種施工工序交叉平行作業(yè)的施工方法，對(duì)掘進(jìn)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以加快成巷效率，降低作業(yè)成本。

1 工程概況

斜溝煤礦18503工作面位于店上村西北角北側(cè)，橫穿柳樹(shù)溝村，位于楊家溝南側(cè)，地面標(biāo)高950～1208m，工作面標(biāo)高750～944m，工作面走向長(zhǎng)度7194m，傾斜長(zhǎng)度294.6m。煤層平均厚度3.76m，煤層傾角9.7°，煤層為8#煤，表觀呈塊狀或條帶狀，半暗淡型。煤層中含2層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩(wěn)定，厚0.05～0.30m，下層夾矸厚0.10～0.30m，局部尖滅。18503工作面直接頂為泥巖，平均厚度1.88m，呈灰色或灰黑色，性脆易碎，可見(jiàn)植物化石，局部相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖；基本頂為中粗粒砂巖，呈灰白色，平均厚度13.90m，成分以石英為主，泥質(zhì)膠結(jié)；直接底為泥巖，平均厚度1.42m，呈灰色或灰黑色，含植物根、莖化石，有時(shí)含砂質(zhì)或泥質(zhì)；基本底為細(xì)中粗粒砂巖，呈灰白色，平均厚度10.17m，成分以石英、長(zhǎng)石為主。工作面巷道斷面為矩形，巷道寬5.0m，高3.9m，支護(hù)參數(shù)如圖1所示。由于18503工作面在巷道掘進(jìn)過(guò)程中片面強(qiáng)調(diào)了巷道支護(hù)安全，錨桿支護(hù)密度較大，造成了掘進(jìn)效率低，時(shí)間成本急劇增高。本文以掘進(jìn)工作面作業(yè)時(shí)間最小化為原則，采用多種施工工序交叉平行作業(yè)的方法對(duì)掘進(jìn)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提高成巷速度，降低時(shí)間成本。

2 原支護(hù)工藝分析

2.1 支護(hù)工藝用時(shí)實(shí)測(cè)

錨桿、錨索的安裝是在巷道支護(hù)中所需時(shí)間最長(zhǎng)的工序，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了頂板錨桿、幫部低位錨桿、幫部肩窩錨桿及頂板錨索的安裝時(shí)間如表1所示。

施工現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)頂板錨桿進(jìn)行鉆孔施工。在頂板錨桿施工結(jié)束后，采用一臺(tái)氣動(dòng)式幫錨桿鉆機(jī)和一臺(tái)支腿式鑿巖機(jī)，對(duì)掘進(jìn)工作面幫部肩窩錨桿、幫部低位錨桿進(jìn)行施工，最后安裝頂板錨索，每個(gè)進(jìn)尺安裝兩排錨桿。施工流程如圖2（a）所示，臨時(shí)支護(hù)施工流程圖如圖2（b）所示。

圖1 巷道支護(hù)參數(shù)示意圖

表1 錨桿、錨索安裝時(shí)間

圖2 施工流程示意圖

2.2 制約支護(hù)速度因素分析

設(shè)備影響因素：由表1可以看出，受到氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)自身性能的限制，錨桿、索鉆孔消耗時(shí)間最長(zhǎng)，這是影響成巷效率最為關(guān)鍵的因素。

工藝影響因素：從圖2（b）可以看出，臨時(shí)支護(hù)總共分為三個(gè)步驟，太過(guò)于繁瑣，對(duì)巷道掘進(jìn)速率也有很大影響。除此之外，錨索鉆孔在錨桿安裝之后，由于錨索鉆孔時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)掘進(jìn)速率也有很大影響。

3 支護(hù)工藝優(yōu)化

3.1 支護(hù)設(shè)備優(yōu)化

減少鉆孔時(shí)間是提高巷道掘進(jìn)速率最為有效的方法。淘汰現(xiàn)有的氣動(dòng)式錨桿鉆機(jī)，將其更換為基于EBZ220升級(jí)改造的液壓掘、護(hù)、錨一體機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）將現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)的截割部替換為具有錨、護(hù)裝置的截割部，該設(shè)備的錨、護(hù)裝置具有可折疊性，相比于原有掘進(jìn)機(jī)，該掘進(jìn)機(jī)的整體長(zhǎng)度并沒(méi)有增加，如圖3所示。

（2）伸縮主臂位于截割部的上方，固定支點(diǎn)位于截割部的兩側(cè)，端部與倒U形護(hù)架通過(guò)鉸鏈連接；伸縮主臂與錨桿鉆機(jī)之間用翻轉(zhuǎn)油缸連接，以實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)的翻轉(zhuǎn)。

（3）倒U形護(hù)架可實(shí)現(xiàn)兩幫、頂板防護(hù)的動(dòng)作，也可以安裝臨時(shí)支護(hù)裝置，代替原有的人工前探梁臨時(shí)支護(hù)裝置，臨時(shí)支護(hù)裝置長(zhǎng)度可達(dá)2.0～5.0m，兩幫護(hù)幫高度2.0m，寬度為1.0m。

（4）倒U形架體左右兩側(cè)均設(shè)有橫移臂，橫移臂與油缸相連，并在橫移油缸的作用下可以實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)的左右移動(dòng)，移動(dòng)范圍大約為1.4～2.8m。除此之外，在橫移臂上安裝有旋轉(zhuǎn)油缸用來(lái)實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度約120°。

（5）為了提高鉆孔效率及成孔質(zhì)量，錨桿鉆機(jī)配備大功率扭矩馬達(dá)，錨桿鉆機(jī)最大扭矩可達(dá)300N·m，最大推進(jìn)力約為25kN，最大轉(zhuǎn)速500r/min。

（6）液壓掘、護(hù)、錨一體機(jī)可用于矩形、梯形和拱形等多種類型的巷道斷面，掘進(jìn)寬度范圍可達(dá)3.5～5.0m，高度可達(dá)2.4～4m。

圖3 掘、護(hù)、錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 支護(hù)工藝優(yōu)化

（1）臨時(shí)支護(hù)工藝優(yōu)化

在截割部完成割煤、出煤后，改進(jìn)的掘、護(hù)、錨一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)搭接頂板、幫部金屬網(wǎng)，并將頂板、幫部臨時(shí)支護(hù)裝置伸出，取代原先臨時(shí)支護(hù)過(guò)程，進(jìn)行頂板、幫部臨時(shí)支護(hù)。

（2）永久支護(hù)工藝優(yōu)化

① 錨桿支護(hù)工藝優(yōu)化

掘、護(hù)、錨一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)安裝頂板第一排第1根、第4根錨桿，安裝完成后，向右移動(dòng)掘、護(hù)、錨一體機(jī)端部安裝第2根、第5根，安裝完成后繼續(xù)向右移動(dòng)一體機(jī)端部安裝第3根、第6根錨桿，施工順序如圖4（a）所示。頂錨桿施工完成后，同時(shí)施工兩幫最上部?jī)筛鶅A斜錨桿，然后施工兩根水平錨桿，優(yōu)化后掘進(jìn)班錨桿安裝示意圖如圖4（b）所示。為提高掘進(jìn)效率，剩余錨桿將留給檢修班負(fù)責(zé)補(bǔ)齊。第一排錨桿安裝完成后，向前推進(jìn)掘、護(hù)、錨一體機(jī)重復(fù)第一排錨桿的施工及安裝工序，安裝第二排所有錨桿。

圖4 錨桿施工作業(yè)及安裝示意圖

② 錨索支護(hù)工藝優(yōu)化

由于錨索的剛度較大而延伸率較低，在原有的支護(hù)工藝中，錨桿、索基本同時(shí)安裝，造成錨桿、錨索同時(shí)進(jìn)行變形，不能充分發(fā)揮錨索強(qiáng)度大的作用，造成錨索過(guò)早破斷，失去承載能力。基于掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件，巷道頂板以中粗粒砂巖為主，比較堅(jiān)硬，在錨桿安裝后，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生錨固失效現(xiàn)象。為充分發(fā)揮錨桿、錨索之間的變形協(xié)調(diào)支護(hù)作用，將錨索安裝作業(yè)放置在檢修班進(jìn)行，具體施工流程如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)施工流程圖

（3）多工序交叉平行作業(yè)

為了能盡可能多的提高巷道掘進(jìn)速率，施工工序應(yīng)在不影響主要工序的前提下，實(shí)現(xiàn)交叉平行作業(yè)。在掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)，運(yùn)料工應(yīng)將錨桿、托盤等支護(hù)所用的材料運(yùn)至作業(yè)面附近安全區(qū)域，為巷道支護(hù)做準(zhǔn)備。在掘進(jìn)機(jī)完成掘進(jìn)后，施工人員開(kāi)始錨桿支護(hù)作業(yè)，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)開(kāi)始對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行檢查維護(hù)，保證掘進(jìn)機(jī)接下來(lái)的正常作業(yè)，也能減少檢修班的工作量提高檢修效率。當(dāng)檢修班對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)時(shí)，施工員開(kāi)始安裝錨索，延長(zhǎng)風(fēng)管、水管等作業(yè)。

3.3 優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

為檢驗(yàn)施工工序優(yōu)化效果，對(duì)優(yōu)化后施工工序作業(yè)時(shí)間及巷道表位位移進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，施工方案優(yōu)化前后一個(gè)掘-支循環(huán)內(nèi)各工序用時(shí)如表2所示。

表2 施工方案優(yōu)化前后各工序所需時(shí)間

由表2可知，施工方案優(yōu)化后，每個(gè)掘-支循環(huán)時(shí)間降低70min，平均每個(gè)作業(yè)班增加2到3個(gè)循環(huán)，充分提高了巷道掘進(jìn)速率。另外，施工方案優(yōu)化后，施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，提高了工人的工作積極性。

4 結(jié)論

工程實(shí)踐表明：優(yōu)化后的施工工序能夠有效降低循環(huán)作業(yè)時(shí)間且每個(gè)工班可以增加兩到三個(gè)作業(yè)循環(huán)，大幅度提高巷道掘進(jìn)速率；施工設(shè)備的改進(jìn)大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工人的勞動(dòng)積極性，說(shuō)明了施工方案優(yōu)化的合理性。