工作面快速掘進工藝及設備優化研究

李軍軍

（晉能控股集團大西煤礦，山西 陽城 048105）

引言

目前，在采煤系統設備的大力支撐下工作面回采速度和效率得到顯著提升，但是我國掘進設備發展相對滯后，導致無法實現采煤和掘進的順利銜接[1]。以大西煤礦為例，當前工作面采用6臺風鉆進行打眼操作，采用耙斗式耙裝機進行裝巖操作，所采用的運輸設備為1.5 t的標準礦車，在實際應用中存在施工效率低、進度慢的問題。因此，為提升工作面的掘進效率，需對當前的掘進設備進行重新配置，并對其對應掘進工藝進行優化設計。

1 工作面掘進設備的優化

1.1 煤礦掘進裝備現狀分析

1）當前掘進裝備的局限性表現在生產的狀態為施工進度慢。雖然當前我國掘進工作面的設備種類較多，但各個設備的性能較差，存在自動化水平較低、設備維修率高、維系周期長以及設備成本過大等問題。

2）與掘進機相配套的設備主要以錨桿鉆機為主。目前，掘進工作面所配置的錨桿鉆機為單體型，其勞動效率低下。具體表現為：當掘進工作面巖層特性較好時，可通過增加空頂距的措施消除單體錨桿支護效率低下的問題；當掘進工作面頂板或兩幫條件不好時，為保證實際施工過程中的安全性，需縮短空頂距，從而進一步加劇了單體錨桿支護效率低的問題[2]。

總的來講，目前以手持式風動鑿巖機、耙式裝載機以及小礦車為主的掘進裝備存在掘進效率低下，作業人員勞動強度大、循環時間增加且各個工序之間配合復雜困難的問題，無法從真正意義上實現掘進與采煤的無縫、高效銜接。

1.2 掘進設備的優化

1.2.1 打眼工序設備的優化

本工程采用CMJ系列的液壓鉆車取代手持式風動鑿巖機，具體打眼的設備型號為CMJ2-27。該裝備具有結構緊湊、功能豐富、效率高的優勢。通過模塊設計的理念具有方便拆卸、裝配的優勢。可對六個自由度方向的巖層進行打眼操作且具有補償定位的功能，所選型CMJ2-27的具體參數如表1所示。

表1 CMJ 2-27液壓鉆車的技術參數

1.2.2 裝巖工序設備的優化

結合大西煤礦所掘進傾斜工作面的走向長度、傾斜角以及斷面實際大小，采用LWLX-180履帶挖掘裝載機（其主要技術參數見表2）取代原耙式裝載機。所選型的履帶挖掘裝載機可對傾斜角度≤25°的工作面上的巖石進行裝載。所選型的履帶挖掘裝載機在先導閥的控制下系統的沖擊力較??；具有獨立的風冷裝置可對油溫進行高效降溫；此外，該裝載機具有拔取范圍廣、清理效率高的優勢，大大減小了作業人員的勞動強度[3]。

表2 LWLX-180履帶挖掘裝載機主要技術參數

1.2.3 運輸工序設備的優化

為解決小礦車運輸設備效率低、能力差的問題，本工程選用80QZ50橋架裝載機對工作面的巖石進行運輸。80QZ50橋架裝載機具有系統輕巧、運輸能力大、安裝拆卸方便等優勢，而且該橋架裝載機可實現自動化控制。80QZ50橋架裝載機的主要技術參數如下頁表3所示。

3 掘進工藝的優化研究

通過上文中對掘進設備進行優化可知，采用CMJ2-27液壓鉆車完成工作面的打眼操作；采用LWLX-180履帶挖掘裝載機完成現場巖石的裝載工作；采用80QZ50橋架裝載機完成巖石的運輸。本節將著重對打眼工藝、支護工藝和裝巖運輸工藝進行優化。

表3 80QZ50橋架裝載機主要技術參數

3.1 掘進工藝的優化

3.1.1 打眼工藝的優化

打眼工藝的關鍵在于炮眼尺寸的確定和具體的爆破方案和起爆方式。結合所選型CMJ2-27液壓鉆車鉆頭的尺寸和釬桿的長度確定炮眼的深度：其中拋渣眼深度為3.1 m，其余炮眼深度為3 m。

為提升所鉆炮眼的爆破效率，將炮眼平行集中布置，并將多個炮眼視為一束，多個炮眼所組成的爆破束的直徑為炮眼直徑的7倍左右。綜合上述因素，將相鄰爆破束的距離設定為400 mm。此外，為確保最終爆破效果全斷面所有的爆破眼分兩次進行爆破[4]，其中，第一次爆破的目標為掏槽眼、下部的二圈眼周邊眼和底眼；第二次爆破的目標為起爆輔助眼、上部的一圈眼、二圈眼和周邊眼。

3.1.2 支護工藝的優化

為保證掘進工作面的安全性，采用臨時支護和永久支護手段對工作面進行支護設計。其中，臨時支護可采用吊環或前探梁實現對頂板圍巖進行控制。所采用前探梁的直徑為76 mm，材質為金屬鋼管，要求鋼管的長度不小于3.4 m，鋼管壁的厚度大于4 mm；所采用吊環是直徑為18 mm的圓鋼加工而成，其對應螺母的高度大于40 mm。

所謂永久支護指的是采用錨桿支護方式對頂板或兩幫的圍巖進行控制。所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，不同的是對于不同穩定性的圍巖所確定錨桿的間距不同，具體描述如下：

1）當工作面頂板圍巖相對完整時，錨桿的間距為1 000 mm，排間距為1 000 mm，要求錨桿的預緊力不小于150 N·m；

2）當工作面頂板圍巖穩定性相對較差時，對應錨桿的間距為800 mm，排間距為800 mm；除此之外，還需在錨桿支護的基礎上采用直徑為17.6 mm的錨索進行強化支護，錨索的間距為1 500 mm，排間距為2 000 mm。

3.2 掘進效果驗證

1）工藝參數優化，工作面所配置炮眼的個數從110個減少為94個，每個炮眼的打眼所需時間明顯降低；基于優化后的起爆順序大大保證了爆破的安全可靠程度，而且每次爆破后所得巖石相對均勻，具有較好的爆破效果[5]。

2）從整體上分析可知，對掘進設備和工藝參數優化后每次循環工作面的推進速度可由1.8 m推進至3 m，而且，每次循環所需時間由12 h減少為11 h；爆破后矸石距離頂板由1.8 m降低為1.2 m。

4 結語

目前，煤礦實際掘進效率滯后，采煤效率低導致煤炭產出量受到制約。因此，需對掘進工作面涉及到的工藝和設備進行優化，具體通過采用可靠性、自動化的設備對原掘進裝備進行優化；并對基于優化后掘進裝備的打眼工藝、支護工藝進行最優化保證，最終保證掘進工作面的掘進效率。