煤巷高效快速掘進技術優化

李宏弢

（國家能源投資集團神東煤炭分公司大柳塔煤礦,陜西 神木 719315）

煤炭資源在社會生產生活中發揮著至關重要的作用,新經濟形勢下,我國對于煤炭資源的需求量不斷增大,煤巷掘進成為采礦行業關注的重點問題。目前,我國煤巷、半煤巷的掘進量超過15000km/a,在煤巷掘進中,人們對于煤巷掘進速度和支護質量提出了較高要求,基于煤巷掘進安全、高效、高產的需要,高效快速掘進技術在煤巷掘進中獲得了廣泛應用。在煤巷高效快速掘進技術下,煤巷掘進生產構建了掘、支、運為一體的工作模式,這對于整個采礦行業的發展具有積極作用。

1 煤巷快速掘進的影響因素

1.1 巷道環境條件

巷道環境條件是影響煤巷掘進效率與安全的基本因素,該因素對于巷道掘進施工的影響最直接、最強烈。當巷道巖層硬度較高時,巷道掘進的難度會隨之增加,并且在整個掘進施工中,掘進設備的磨損狀較為明顯,嚴重地影響了煤巷掘進的效率與質量。值得注意的是,巷道施工中還存在一定的滲水和瓦斯聚集問題,這些實際性的巷道環境直接影響著煤巷掘進的安全性。

1.2 掘進設備性能

巷道掘進施工中,掘進設備性能會對巷道掘進的速度造成影響,這是影響巷道掘進的主要因素。相比于發達國家,我國采礦企業巷道掘進設備的應用不夠先進,以重型懸臂式掘進機為例,我國在該設備的研發上缺乏獨立技術,嚴重地制約了掘進設備的更新升級,并且對巷道掘進的效率產生了較大影響。

1.3 掘進支護技術

采礦本身屬于高危行業范疇,支護技術的應用直接關系著采礦過程的安全性。新時期,我國對于行業安全生產提出了較高要求,在煤巷掘進中,有必要科學合理地開展煤巷的掘進施工。然而結合當前煤巷掘進現狀來看,我國采礦企業在煤巷掘進中的支護技術應用具有一定的滯后性,這使得巷道支護速度遠落后于煤巷的掘進速度[1]。另外,要注意的是,很多煤巷掘進時的支護均是根據經驗來完成的,導致支護的錨桿存在打眼兒跑偏等問題,影響了整體的支護質量。

2 煤巷掘進技術要點

2.1 光面爆破

光面爆破技術在當前煤礦工程中應用廣泛,在爆破前,施工人員會正確選擇爆破參數,然后進行分區分段微差爆破,實現了爆破后輪廓線的有效控制,確保了斷面輪廓的憑證性和規則程度。相比于普通的爆破技術,光面爆破技術的應用具有爆破后成型規整、巖體穩定性突出的優勢。一方面,采用光面爆破技術后,新形成的壁面上能較為清晰地看到半邊孔壁痕跡,這大大減少了巷道掘進的超挖量和排渣量,降低了裝載運輸系統的實際負擔,此外其還有效地節省了噴射原材料。另一方面,利用光面爆破通常不產生或者很少產生爆震裂隙,這對于提升圍巖的承載能力具有積極作用。從整體施工效果來看,光面爆破施工效率高、安全效益好,掘進成本低,是煤礦巷道安全掘進的有效措施。

2.2 支護技術

巷道掘進過程中,實時支撐圍巖是極為重要的一項工作,其在防控巖石破碎冒落問題中發揮著重要作用。現階段,錨桿支護在煤礦巷道掘進施工中的應用較為常見,該工法將錨桿錨入圍堰,通過改變圍巖力學狀態的方式,使得掘進的航道周圍形成了較為穩定的巖石帶,滿足了巷道掘進支護需要。相比于架棚支護方式,錨桿支護方法的應用具有以下優勢：其一,錨桿支護有效地降低了巷道通風阻力,具有較強的適應能力。其二,錨桿支護的穩定性較高,完成支護后,巷道很少會發生變形問題,故而工作的安全性較高。要注意的是,結合巷道掘進支護現狀可知,錨桿支護仍然存在一定的技術缺陷,如錨桿支護不能預防圍堰風化問題,同時錨桿之間的縫隙有發生巖石剝落的風險。基于這些風險因素,在巷道支護中,還需要實現錨桿支護與其他支護方式的聯合使用[2]。

2.3 運輸技術

為適應快速掘進的工作環境,在煤巷掘進中,還應重視運輸技術的有效使用。現階段,煤礦巷道運輸多采用絞車、電瓶車以及耙裝機運輸方式。結合巷道運輸實際情況可知,這些方式在運輸效率、安全上存在一定缺陷,有必要進行煤巷運輸方式的優化。新時期,利用膠帶輸送機輸送煤炭資源成為巷道運輸技術發展的全新方向,該技術具有自動化集中控制的優勢,其能在方便操作的同時,降低輸送的成本。另外,膠帶輸送機輸送的使用有效地降低了人工勞動強度,確保了煤礦掘進和煤炭運輸的安全性。

3 煤巷高效快速掘進技術優化措施

煤礦掘進施工中,巷道的環境較為復雜,控制難度較大,因此,在推廣煤巷高效快速掘進技術中,應從掘進設備、支護、運輸等層面進行優化。

3.1 高效快速掘進措施優化

（1）掘進機工作參數優化。選擇綜合性能較突出的掘進機,能切實提升煤巷的掘進速度,保證煤礦企業經濟效益。在掘進機選擇中,不僅要考慮礦井的地質條件,而且需對施工環境進行有效分析,以此來確定掘進的種類。譬如,在新時期可選擇全斷面巖石掘進機進行施工（見圖1）。當煤巷巷道圍巖的硬度超過80MPa時,若采用傳統的懸臂式掘進機,其施工掘進基本上是“0”進尺,而且截齒消耗嚴重,但當采用全斷面巖石掘進機時,能實現200MPa巖石地層的快速掘進,掘進速度較快[3]。在巷道掘進施工中,還需要結合具體的工況,對掘進機的開機率、掘進速度等參數進行控制,以此來延長掘進機的有效工作時間。

圖1 全斷面巖石掘進機

值得注意的是,設備的匹配程度對于煤巷掘進效率、安全性具有較強的制約作用。在掘進機工作參數優化中,還需要提升設備之間的匹配程度。現階段,煤巷掘進中需要匹配的設備系統較多,應從掘進、支護和運輸三個環節開展設備的匹配度管理,實現煤礦巷道作業的最優控制。

（2）掘進設備自動控制。采用自動化控制技術,能簡化煤巷掘進操作工序,實現巷道掘進設備工作參數的實時監控。現階段,隨著全斷面巖石掘進機等設備應用的深入,煤巷掘進中的設備自動化程度不斷提升。在實際控制中,應該結合采礦掘進的需要,對設備功率、推進方向、推進速度等參數進行自動調整控制,這樣能有效提升掘進機的工作效率。另外,掘進機的自動控制還應表現在故障診斷層面,即采用自動控制技術后,應能實現掘進機具體故障的發現、報警,這樣才能為技術人員的修復提供有效支撐,確保設備安全與掘進施工設備操作人員安全。

（3）掘錨一體化技術。落煤、裝煤以及支護是煤巷掘進工序的三個主要環節[4]。當使用不同設備時,煤礦掘進設備的開機率會受到影響,同時受設備配套性因素的影響,設備的掘進速度會受到較大阻礙。基于此,應重視掘錨一體化技術的規范應用。在掘錨一體化下,應通過引入掘錨機來解決工序之間的影響作用,提升掘進的速度。值得注意的是,現階段我國在掘錨機生產中尚顯不足,但國外引入的掘錨機與國內礦井生產設計存在一定差異,故而還需進行掘錨一體化技術的深入研究,尤其是要重視掘錨機的研究和生產。

（4）綜合掘進機械化技術優化。煤礦企業生產實踐表明：在煤巷掘進施工中,聯合使用連續綜合掘進機械化與錨桿支護技術,能有效地提升煤礦掘進的效率,達到高效快速掘進的目的。故而在新時期煤礦巷道生產中,一旦條件允許,則應重視該技術方案的推廣和應用。

3.2 巷道掘進支護技術優化

支護技術的應用直接關系著煤礦巷道掘進的安全性,并且對于煤礦企業的生產效益具有較大影響。新時期,在煤巷高效快速掘進技術優化中,有必要進行巷道支護技術的優化。

（1）巷道支護形式應用問題。架棚支護、預留煤柱、架設可縮性支架是巷道掘進支護的三種基本類型。煤礦架棚支護中,前探梁發揮著超前臨時支護的作用,就前探梁本身而言,多選擇工字鋼、π梁等材料,這些材料通過圓鋼掛鉤進行固定。在實際固定中,每根前探梁多設置3處懸掛點,這些懸掛點會通過木楔楔實吃勁。要注意的是,這種臨時性的支護方式對頂板支撐力很小,而且支護操作的難度較大,整體安全性較差,故而需進行臨時支護措施優化。

作為較為傳統的支護方式,預留煤柱雖然能為航道提供一定的支撐力,且整體施工方便,但該方法的技術成本較高。當掘進中造成煤柱損失后,會給巷道的維護工作造成較大影響。并且要注意的是,煤柱的支撐荷載會傳輸到巷道底部,一旦對相鄰的巷道產生影響,就會直接威脅巷道掘進施工的安全性。

可縮性支架包含多重形式,機載臨時支架支護是煤礦巷道可縮性支架支護的基本形式,其支護的速度優于前探梁,但該技術的應用存在以下缺陷：一是掘進機截割和移動時不能使用支護機對頂板進行支護,導致在掘進中存在空頂問題；二是在機載支架護頂時會占據較大的空間,這影響了施工的便捷性；三是該技術防護的范圍同樣有限,容易出現片幫坍落風險,安全風險較大。

自移式邁步支架支護是基于液壓系統自動移動的一種支護方式,雖然實現了支護施工的機械化、自動化處理,但該支護系統的支架過于復雜,尤其是較大的體型使得其在巷道中的適用性不強,整體移動困難,影響了巷道的掘進效率[5]。

（2）巷道掘進支護技術優化的方向措施。新時期,要實現巷道支護技術的優化,就必須了解巷道支護效果的影響因素。從施工過程來看,地質條件、施工工藝、人為因素是影響巷道支護效果的重要因素。結合這些因素,在巷道支護技術優化中,應注重以下技術要點：其一,開展巷道支護,應做好礦井的勘察工作,確定巖層的性質、成分、結構等情況,以此來為巷道支護措施的應用創造有利條件,提升支撐結構的承載性能。其二,錨桿支護是當前較為常用的支護技術,該支護技術能在改善航道結構的基礎上,實現巷道掘進效率、安全與采煤效益的高度統一。在錨桿技術應用優化中,首先,應做好錨桿構件的系統管理,即應在扭矩螺母的作用下,實現錨桿托板與巷道表面的持續擠壓,以此來改變巷道圍巖的應力狀態。其次,當巷道存在軟巖時,應了解軟巖的性質,針對性進行支護技術改進。第三,應了解巷道的相關參數,結合巷道參數變化情況改進支護方法,保證支護效果。第四,當巷道區域存在破碎巖體時,應采用錨網索進行支護,確保巷道安全性。第五,整體支護中,應實現支護體與圍巖的有效結合,高效解決巷道薄弱環節,處理巷道位移和變形問題等。

3.3 巷道運輸技術優化

帶式輸送機的應用能有效地提升煤礦開采的運輸效率,這不僅包含了輸送帶、輥組、滾筒組等單元,而且涉及驅動裝置、逆止器、拉緊裝置、導料槽等構件。采用帶式輸送機輸送采集煤炭資源,具有較高的可靠性,而且煤炭運輸的消耗較低、運輸效率較高。新時期,在巷道運輸系統優化中,應深化帶式輸送機的推廣和應用。在該技術推廣中,還應結合實際的工作環境,對輸送線路、輸送帶、物料性質和輸送量等參數進行系統設計。如在輸送線路和輸送帶設計中,不僅應考慮輸送線路傾角、最大長度、提升高度等因素,而且需考慮曲線段尺寸、連接尺寸等參數。而在物料的性質和輸送量設計中,應從松散密度、安息角、物料的粒度等多個層面開展設計,這樣才能有效地提升巷道運輸效果,滿足實際生產需要。

4 煤巷高效快速掘進技術應用

某巷道井下開采存在失衡問題,選擇井下A作業面進行研究,該作業面處于煤層厚度介于4.0~4.5m,上部覆巖厚度介于90~130m之間。煤巷掘進中,由于直接頂粉砂巖層,巖層厚度為3~15m,這使得快速施工中存在頂部脫落問題,對于巷道掘進的效率和安全造成較大影響。

為解決這些問題,本煤礦在使用全斷面巖石掘進機進行快速掘進的同時,重點開展煤巷的支護優化。在優化中,結合煤巷性質、成分、結構情況,進行單排錨桿數驗算和錨桿長度計算,最終采用錨桿+連續梁的方式進行支護,使以往錨桿數量多、密度高的問題得到了有效改善,而且極大地縮短了支護作業耗時,保證了巷道支護效果。最后對膠帶機進行改良,解決運輸系統停機問題。這些處理措施有效地解決了以往煤巷掘進效率低下、安全風險突出的問題,達到了煤巷高效快速掘進的效果。

5 結束語

煤巷高效快速掘進對于提升煤礦企業生產效益具有深刻影響。新時期,煤礦企業生產人員只有充分認識到煤巷掘進的影響因素,然后基于當前煤巷掘進技術,進行掘進、支護和運輸技術的系統優化,并深化優化后的技術在項目實踐中的應用,這樣才能真正提升煤巷高效快速掘進技術應用水平,保證煤礦生產效率與安全,并促進整個采礦行業的持續、穩定發展。