范各莊煤礦快速掘進影響因素及對策

王曉輝

(開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

隨著煤礦現代化裝備的應用，礦井單產效率逐年提升，對快速掘進成巷的要求越來越高，傳統多面多人組織生產的方式已經不能適應高產高效的新要求，并且在生產過程中的機械化程度、現階段使用的掘進工藝等相對于一些發達國家來說仍較為落后，嚴重影響了煤礦的掘進效率，其次采掘銜接緊張的問題日益突出，已成為行業亟待解決的技術管理難題，嚴重制約了礦井技術經濟效益的提升[1-3]。目前快速掘進技術表現為機械化、自動化、無人化、智能化等四化趨勢，相關單位探索了掘支平行、大斷面一次成型、多工序交叉等快速掘進方案[4-6]。掘進設備配套了錨掘一體掘進機、鑿巖鉆孔一體機、機載/自移超前支架等裝備，掘錨一體化掘進方式是當下煤礦巷道快速掘進作業中的常用掘進方法，其應用頻率僅次于綜合機械化掘進，該種掘進方法將錨桿支護技術作為支撐，促進掘進與支護技術聯合應用過程[7-10]。自移超前支架支撐強度大，能夠有效對巷道頂板進行支護，支架下方空間大等優點，共同推動了快速掘進技術的發展[11-13]。為此，針對開灤范各莊煤礦快速掘進技術的實施，需要根據地質環境、設備狀態、生產工序等開展技術適用性分析研究，從而進一步提出生產線快速掘進實施方案，將為類似工程提供范例經驗。

1 范各莊煤礦掘進施工概況

開灤范各莊礦業公司設計能力為400萬t/a，2013年核定生產能力480萬t/年。井田范圍內共有7個可采煤層，煤層平均總厚度13.84 m，地面標高北部約+22～+34 m，屬典型近距離煤層群開采礦井。礦井采用立井多水平集中運輸大巷集中上山分區石門開拓方式，共劃分為3個開采水平，現一水平(-310 m)已經回采完畢，二水平(-490 m)接近收尾，目前三水平(-620 m)為主要生產水平，礦井延深工程已經全部完工。煤層頂板巖性主要由泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖和中細砂巖構成。底板主要以砂巖和粉砂巖為主，巖性堅硬。巷道掘進工序主要是破煤、支護、運輸及其他輔助工序，其中支護是最關鍵也是占用時間最長的一個環節。范各莊煤礦目前掘進破煤采用懸臂式掘進機，型號包括S-100，EBJ-120TP，EBZ160TY，EBJ-160SH等。支護主要采用錨網支護和金屬拱形支架支護2種形式，巷道斷面16 m2。原煤運輸采用DSJ-800/40/2×40皮帶以及SGW-40T溜子，物料運輸系統采用絞車運輸。與其他礦井相比，掘進設備一體化、自動化的程度低，機械化水平較低，人力消耗較高，快速掘進效率亟待提升。

2 影響掘進的主要因素

2.1 地質條件復雜

礦井可采煤層頂板以泥巖、粉砂巖和細砂巖為主，局部構造發育區域有火成巖侵入，煤層底板以泥巖、粉砂巖為主。巷道設計斷面高度3.0～3.5 m，除了7號、12號煤層厚度可達3 m外，其他煤層在掘進過程中都需要挑頂破板施工，時間占比較高。全煤巷割煤時間為15～20 min，如挑頂破底每個循環割煤時間需要增加一倍甚至更多的時間。目前主要生產采區集中在二水平南五采區和三水平南二采區及三下采區，位于畢各莊向斜構造影響區，斷層發育較多，在斷層走向和巷道夾角較小或斷層落差較大情況下，煤巷追煤的半煤巖和巖巷施工距離長，增加了掘巷成本，也影響了掘進破煤的效率以及兩幫支護時間。

2.2 掘進裝備落后

掘進工作面使用了大功率懸臂掘進機，但是支護工序仍然依靠單臺風動錨桿鉆機進行支護作業，在特殊位置如幫錨桿、幫錨索支護上僅能使用手持式幫錨桿鉆機進行。破煤設備和支護設備存在較為突出的銜接困難，單臺錨桿鉆機完成一個錨桿的打眼、安裝工序需要8～10 min，使用2臺錨桿機施工，打完一排頂錨桿需要40～50 min，打設兩幫支護需要約25 min，而一個循環破煤時間僅僅占用20～30 min。破煤與支護耗時比超過3，掘進機的開機率大幅度降低，嚴重影響了掘進效率的提升。

2.3 支護方式單一

范各莊煤礦在5、7、9、12號煤層采用錨網支護，在8、12.5號煤層采用金屬拱型支架支護方式。錨網巷道中，對地應力和采動動壓規律掌握不清楚，錨網支護形式比較單一，錨桿間排距、錨索的布置沒有及時調整，多采用工程類比法確定支護參數，造成相應巷道支護和應力級別、服務年限不相匹配。金屬拱型支架支護中，棚距為0.4～0.8 m，每循環進度較低，工序繁雜，人力投入量大，機械化水平低。支護方式、技術方案與現場施工條件不匹配進一步制約了掘進單進效率的提高。

2.4 掘進斷面增大

由于回采設備尺寸逐步增大，掘進巷道斷面需要滿足設備使用要求，各掘進巷道斷面面積從最初的9～10.4 m2逐漸達到18～22 m2，這導致了破煤、支護、運輸等工序用時的成倍增加。金屬拱形支架搭設從最初的15～20 min完成增加到30～40 min完成，每班循環數量降低，掘進效率提升與回采效率提升脫節，加劇了采掘銜接緊張的情況。

2.5 輔助時間及人員操作技能

輔助時間占比較高，占用較多進尺時間。掘進工作面除了正常進尺作業以外，還需要其他的輔助工序，如運料、延接管路、儲運皮帶、倒接電纜等，平均占用1/3的工時，不能全天達到進尺作業。人員操作技能滯后于現代裝備水平。煤礦作業人員即使有準入要求的限制，但是隨著各類現代化、智能化的發展速度更快，兩者之間的差距逐步拉開。人員對設備的操作熟練程度存在著較大的差距，尤其是對目前超前的設備裝備認識不到位，造成高科技的設備裝備不能全部發揮機械化、智能化的生產能力，降低了設備使用效率。

3 改進方案

3.1 全面掌握工程地質條件

地質條件對巷道的快速掘進有著至關重要的作用，掘進速度與該區域的地質構造有著直接的關系。在完整的地質構造區域可以實現巷道的快速掘進，在地質構造復雜的地段需要放緩掘進的速度，同時地質條件超前探查有利于掌握所掘進巷道遇到的斷層、破碎帶等基本資料，為設計部門提供完備的資料，制定適當的支護方案，加強礦壓的監測和礦壓規律的探索，有利于最終形成完善的支護體系。地質探查還會超前指導現場施工，避免各類廢尺廢巷的出現，提高現場應變能力，對提高掘進效率起到保障作用。

3.2 改進掘進裝備配套設施

目前，掘錨護一體機在部分條件優良的礦井得到了應用，明顯提高了掘進效率。將錨桿臺車和臨時支護設備與掘進機整合也是一些科研院所的研究方向，利用這一設備將掘進破煤和支護2個工序同時進行，各設備連續運轉，能夠顯著提高掘進效率。部分掘錨護一體機工作面月進尺達到628 m的水平，為提高掘進效率、尋求高效的配套裝備提供了較好的借鑒作用。在施工條件合適的工作面引進掘錨護一體機和錨桿臺車相配套應用，將破煤和臨時支護以及永久支護做到平行作業，能夠保證掘進機較高的開機率，提高巷道掘進單進水平。

3.3 優化支護工藝和參數

針對礦井不同水平、不同地質條件進行地應力分析，對回采巷道動壓影響規律進行探索，逐步形成與工作面實際情況相匹配的支護參數，煤礦地應力的測試和分析在采面超前動壓影響中取得了較豐富的成果，廣泛指導了超前支護的選擇和頂底板巷道的位置優化，為采掘動壓災害防治提供了重要手段，同時也為巷道的快速掘進提供了重要的參數支撐。根據礦壓顯現規律，適當增加或者減小錨桿間排距離，每個掘進循環進尺量適當放開，以提高掘進機的開機率，增加有效進尺時間。

3.4 提高掘進工作人員綜合素質

按照煤礦“企業機械化換人、自動化減人”的總體要求，堅持巷道施工設計優化，有條件的巷道優先裝備大功率掘進配套機械，同時應該定期的加強員工培訓，提升員工操作技能水平和意識，減少操作設備在工作過程中出現的不必要的故障，減少維修的次數，提升先進裝備的應用效率，逐步向機械化、智能化發展。

4 結語

礦井自動化、智能化以及集約化的發展，快速掘進效率低下、采掘銜接緊張等問題亟待解決。針對范各莊礦業公司影響掘進效率提升地質條件復雜、掘進裝備落后、支護方式單一、掘進斷面增大等各項制約因素，從全面掌握工程地質條件、改進掘進裝備配套設施、優化支護工藝和人員培訓等方面采取相應的對策，在范各莊煤礦的應用中實現了18 m2以上大斷面巖石巷道的快速成巷掘進，解決了掘進快速施工的瓶頸問題。值得注意的是，在引進掘-支-運配套裝備，提高掘進工作面平行作業效率的同時，應持續深入推進技術創新，切實做到煤礦企業掘進現場安全高效生產。