復合頂板巷道快速掘進技術實踐分析

孫 輝(山西省長治市山西潞安工程有限公司,山西 長治046000)

1 前言

進入總體經濟體系建設新階段后,我國金融體制與制造業形成了緊密聯動,由此推進了我國在國際市場與國內市場的工業競爭優勢。與此同時,對于能源的需求量也隨之增加,以煤炭能源為例,近年來開采的新巷道正在以每年大于1.2 萬km 的速度增長。然而,在開采量逐漸增大的條件下,巷道掘進開采的阻礙因素也同步增大。為了確保煤炭能源生產與供給滿足能源市場的有效需求,在新時期有必要加強對復合頂板巷道快速掘進技術實踐的分析,進而通過對其工藝的優化,提升其開采效率。

2 復合頂板巷道掘進概況

2.1 巷道掘進概況

以某煤礦掘進巷道為例,該巷道屬于南翼中組,在其膠帶巷掘進中,沿著6#煤頂板進行施工作業。根據勘測報告,其中煤層厚度約1.8～6.6m,平均煤層厚度為3.47m。該區域的煤層結構相對復雜,以砂質泥巖為主,夾雜有夾矸,其厚度約為0.1～0.6m,層數為1～2 層。在煤層南西向,轉向南東向的限定條件下,傾角1°～15°,平均傾角5°。地質構造方面包括陷落柱和斷層及節理,該施工區域的構造屬于整體呈現、背斜組合,其中1176#陷落柱位于施工位置到開口前360m 附近,1253#陷落柱位于815m 附近,1371#陷落柱位于910m 附近,三個陷落柱的預計分別穿越38m、36m、21m,不排除隱伏陷落柱的存在。巷道掘進過程中,存在7 條斷層,其落差范圍1～4.5m,不排除隱伏斷層的存在。巷道施工區域的節理發育方面,北東向為主節理。

2.2 巷道掘進地質特征

從地質表現方面分析,主要體現在五大方面:一是直接頂屬于砂質泥巖,平均厚度為8.71m(厚度約為6.81～10.85m),由于巖石特征以黑灰色泥巖為主,水平層理含有大量云母碎片黃鐵礦與菱鐵礦結核,以團塊形態為主,因此,在實際巷道掘進中,泥巖結構會造成一定程度的風險,可能引發冒落。二是巷道掘進區域的地質構造決定了其地質條件的復雜性,加之復合頂板結構的存在,不排除較大可能的圍巖破碎問題。三是基本頂、直接頂、直接底、基本底圍巖特性存在差異,煤層厚度也不相同,變化相對較大,因此當斷層數量較多的條件下,巖石量也會增加,從而對巷道掘進作業造成較大阻礙。四是根據實地勘測煤層結構中存在裂隙發育,因而當富水性較強的情況下,易發生涌水現象。五是該區域的煤層瓦斯含量測定結果表明,在含量相對較高的條件下,必須配套相應的瓦斯治理方案。由以上五個方面的因素,極大的降低了巷道掘進速率,增加了巷道掘進風險,因此,需要采取針對復合頂板巷道快速掘進技術的改進方案,利用工藝優化的辦法,提高掘進效率。

3 復合頂板巷道快速掘進工藝優化

在復合頂板巷道快速掘進技術實踐中,需要按照系統作業的基本要求,配置配套的掘進設備、截割設備;設計與掘進作業密切關聯的施工工序與作業方式,以及支護方案等。因此,從設備選型、截割工藝、掘進工序、支護工藝、作業方式五個工藝優化層面展開具體討論。

3.1 設備選型優化

在復合頂板巷道掘進中的主要問題集中于巷道掘進速率方面,因此,為了確保掘進速率的有效性,以及配合其他設備進行協同作業,建議以運轉速率相對較高的掘進設備為主,根據本區域的施工需求,可以選用EBZ-200 型掘進設備,由于該設備的爬行性能較好、發熱量低,且具備智能操作功能;因此,在配套進行常態化維護管理措施的條件下,可以較好的規避掘進停機與掘進速率較慢的問題。

3.2 截割工藝優化

在本次巷道掘進過程中,為了滿足其截割工藝需求,以配套設備為基礎,選用了EBZ-260 型掘進截割設備,其功率為200kW,能夠保障截割的有效性與可靠性。由于存在地質情況產生的阻礙因素與困難,在組織專家組進行分析討論后,決定按照“之”型移動路線,設計由上到下、由中間向兩幫的操作工序,提高截割效率[1-2]。

3.3 掘進工序優化

在巷道掘進作業中,由于要進行煤巷與半煤巷作業,因此,在本次巷道掘進中,配套應用了錨梁網支護、錨噴支護、錨桿支護,簡化了巷道支護施工(掘進施工與支護施工分別實施)。當前的支護數據庫統計分析結果表明,支護施工的時間約占到總施工的70%,因而為了提高掘進效率與掘進安全,建議在掘進工序方面進行一些優化。采用交叉平行施工作業方案,開展多工序平行作業,這樣就能夠有效的優化巷道作業環境、降低掘進成本、確保掘進質量[3-4]。

3.4 支護工藝優化

為了巷道掘進的安全性,需要在巷道支護施工方面進行一些支護工藝優化。根據本次掘進情況,頂板結構方面存在一定的相對差,因此,在限定區域內,可以結合錨索支護、錨桿支護,為巷道成型提供有效保障。同時,利用支護工藝的優化節約支護成本。具體操作:一是在頂板結構打入7 根錨桿進行支護,確保其頂距在2.0m 范圍以內;可以在巷道兩幫位置,配套應用8 根錨桿進行支護,其距離以10m為宜。二是在完成錨桿支護后,通過1 根錨索進行支護,其距離控制在20m 為宜,此根錨索應用位置以頂板中部為準;然后,從頂板結構兩邊,分別設置1 根錨索進行支護,其距離控制在25m 為宜。三是為了保障支護作業的有效性,結合頂板結構松動范圍檢測報告提供的參考數據,配套選擇迎頭安裝方式,保障巷道頂板支護的安全性與可靠性。

3.5 作業方式優化

本次巷道掘進施工中,主要按照系統性的思路,按照現場調查、勘測報告分析、掘進工藝優化、掘進保障機制設置等環節設計了針對復合頂板巷道快速掘進技術實踐方案。因此,在作業方式方面,根據作業數據統計分析結果,掘進作業時間遞增,人員作業的效率隨之遞減,二者之間存在一定限定范圍外的反比例關系。主要是因為掘進作業工作量較大,在長時間作業后,作業人員的體力隨之下降,間接造成了作業效率降低問題。為了化解作業效率不高的問題,經過專家小組研討,設計了“四六制循環作業方式”,按照“三掘一檢修”的交叉施工方案,形成了平行施工作業方式,并且在交班重合時間中,通過錨桿補打與掘進作業準備,提升了作業效率。

4 復合頂板巷道快速掘進保障機制

在對復合頂板巷道快速掘進技術實踐進行工藝優化的同時,需要配套的做好保障機制建設,進而確保技術實踐中的安全性、有效性、可靠性。結合本次掘進作業經驗,分別從質量管理機制、現場約束機制進行具體說明。

4.1 質量管理機制

一是針對支護施工質量控制,將巷道中線誤差控制100mm 以內;并且選擇了左旋螺紋鋼高強錨桿作為頂幫部錨桿支護材料;嚴格設置了錨桿的間距、排距等。二是在頂部打眼過程中,選用的錨索機與鉆頭直徑為27mm;同時,頂板管理中禁止了空頂施工。三是針對煤層瓦斯問題,制定了專門的治理方案,增加了瓦斯與二氧化碳智能監控檢測設備,配置了消防設施,包括滅火器、沙子、黃泥等;在通風區域,若測定的瓦斯濃度小于0.8%,巷道掘進開始施工。四是針對斷層破碎問題,配套增加了常態化巡檢以外的隨機檢查,既確保了常態化的“敲幫問頂”檢查效果,也提升了監督檢查的力度。五是將質量管理、安全管理,統一到了評估機制、監督機制之中,通過細致的指標考核方案,保障了全過程管理的科學性與合理性,預防了風險的發生。

4.2 現場約束機制

在作業方式與施工序優化之后,配套設置了現場約束機制,按照管理職能與管理責任的明確對應,使現場安全管理、現場施工作業管理得到了有效保障。

首先,按照總項目、分項目、子項目、施工要素,構建了可以應用到每一個項目內容的現場約束機制。即通過項目對應的崗位,劃分了每個人的職能,對應的進行了技術交底與責任交底,因而形成了項目管理體系方案,并且將每一個項目生產要素,對接到了具體的崗位,確保了“各司其職”。其次,運用現代人力資源管理方案,分別從安全管理、質量控制、業務技能、知識結構等方面,進行了專門化培訓,使管理人員與作業人員對各項生產要素進行了全面的理解,為協同作業打下了堅實基礎,并在此基礎上,提高了現場作業與考核指標之間的對應,細化了交班內容。

5 結論

針對煤炭能源的巷道掘進技術,加大在其“工業設計”方面的研發投入,利用生產要素中的技術要素創新與工藝優化方案,配套設置合理的保障機制,進而提升煤炭生產制造中的巷道掘進效率,為我國制造業的全面升級供給充足的煤炭能源及動力支持。