煤礦快速掘進系統建設主要模式及應用成效

廖敬龍,劉長來,王學強

(陜西煤業股份有限公司,西安 710065)

巷道是煤礦井下生產的基礎,擔負著運輸、通風等重要功能,只有通暢、穩定的巷道系統才能為礦井提供良好的運行空間。隨著煤礦綜采技術裝備的快速發展,綜采工作面的開采強度成倍增加,使煤礦井下巷道掘進工程量劇增,采掘接續緊張的矛盾日益突出。此外,對于一些地質條件復雜的礦井,其災害治理要求有超前的時間和空間。例如，高瓦斯礦井需要提前抽采瓦斯，瓦斯突出礦井需要提前執行防突措施，涌水量大的工作面需要提前進行探放水工作等,這一切都要求加快巷道的掘進速度,提高掘進單進水平,保證礦井采掘接續正常,為災害治理創造時間和空間[1-2]。

陜煤集團煤炭板塊現下屬8家礦業公司、36處煤礦,近年來圍繞“智能礦井、智慧礦區、一流企業”的發展目標,堅持“資金大投入、裝備大研發、水平大跨越”,牢牢抓住巷道掘進這一制約礦井發展的“牛鼻子”,強力推動巷道“三優兩提高”工作,加快推動掘進裝備、技術和工藝的研究與應用,推進智能快速掘進系統建設,著力打造連續、并行、安全的掘進工作面[3],提高巷道掘進的裝備水平及單進水平,使井下掘進施工向著高效、智能、健康的方向發展[4]。

1 各礦區概況

陜煤集團所屬礦井分布廣泛,各礦區煤層賦存條件差異較大,根據各礦區巷道圍巖性質、地質構造、災害特征、支護參數及掘進現狀等特點可分為四個礦區,陜北礦區:包括陜北礦業八礦、榆北煤業三礦;銅川-黃陵礦區:包括銅川礦業四礦、蒲白新區兩礦、黃陵礦業四礦;關中礦區:包括蒲白老區西固煤礦、韓城礦業四礦、澄合礦業五礦;彬長礦區:包括彬長礦業五礦。目前掘進關鍵線路工藝用時占比大約為掘進和支護占90%,其他輔助工序占10%。

1.1 陜北礦區

陜北礦區多為近水平煤層,礦井可采煤層較多,煤層賦存條件差異較大,既有厚基巖、大埋深及薄、中厚、厚煤層同時存在,也有薄基巖、淺埋深、厚及中厚煤層為主的地質條件,同時普遍存在水文地質條件復雜,煤層頂、底板強度不高的現象。

整體來看陜北區域順槽圍巖賦存條件較好,地質條件簡單,多為砂巖穩定頂板,圍巖條件好,煤層硬度大,巷道斷面大,支護設計相對簡單。掘進用時占40%,支護用時占50%,掘支用時比約為1∶1.25。

1.2 銅川-黃陵礦區

銅川、蒲白北區主采4-2#煤層,煤厚3～9 m,順槽沿煤層底板掘進。直接頂多為深灰-灰黑色粉、細砂巖,局部有泥巖及砂質泥巖,厚度兩三米至十幾米,其上為淺灰-灰色中粗砂巖(小街砂巖),為穩定性頂板。底板大部分為炭質泥巖、含鋁質泥巖,局部為花斑泥巖,屬于穩定性差至較穩定底板,遇水易膨脹底鼓。

黃陵礦區主采2#煤層,煤厚2～3 m,部分區域巷道為半煤巖巷,沿頂破底掘進。直接頂板以細粒砂巖為主,局部為粉砂巖,老頂以灰白色-淺灰白色中-細粒砂巖為主(即K2標志層),直接底板幾乎全部為泥巖、砂質泥巖,易風化,遇水易膨脹。

銅川-黃陵礦區多為近水平煤層,地質條件較復雜,泥巖及炭質泥巖不穩定底板,遇水易膨脹,巷道有片幫、底鼓現象,部分煤層有夾矸并存在半煤巖巷道,支護設計較復雜。掘進作業用時占30%,支護作業用時占60%,掘支用時比約為1∶2。

1.3 關中礦區

關中礦區主采3#煤層、5#煤層,韓城3#煤層厚度一般5～7 m,巷道沿頂掘進,直接頂板主要為泥巖及粉砂巖,屬I類不穩定易冒落頂板;5#煤層厚度3.5 m,巷道沿頂掘進,存在黑色泥巖偽頂,易垮落,直接頂為灰色粗砂巖、中砂巖,頂板裂隙發育,為Ⅱ類中等穩定類頂板。澄合礦區5#煤層厚度3.5～5.0 m,煤質松軟、強度較低,直接頂俗稱“五尺渣”,主要巖性為炭質泥巖,強度較低,在井下潮濕空氣弱化和風化作用下極易出現離層下沉、破碎墜包現象;底板為砂質泥巖,強度較低,裂隙發育,遇水易膨脹。

關中礦區地質條件復雜,地質構造多,多為不穩定易冒落頂板,圍巖條件差,巷道有起伏,片幫、底鼓現象嚴重,巷道斷面較小,掘進設備陳舊落后。掘進作業用時占25%,支護作業用時占65%,掘支用時比約為1∶2.6。

1.4 彬長礦區

彬長礦區主采4#煤層,煤層厚度0.80～26.20 m,一般厚度為10～15 m,巷道沿煤層中部留頂煤留底煤掘進;偽頂多為黑色炭質泥巖,直接頂板為較易冒落的泥巖、粉砂巖、砂質泥巖,基本頂為中砂巖、粗砂巖,底板一般為泥巖及鋁土質泥巖,遇水軟化、膨脹,局部粉砂巖或細粒砂。

彬長礦區多為沖擊礦壓礦井,巷道圍巖變形量很大,掘進迎頭及兩幫片、冒現象嚴重,支護設計復雜、密度大、形式多樣。掘進作業用時占20%,支護作業用時占70%,掘支用時比約為1∶3.5。

2 各礦區快速掘進系統建設模式

結合各礦區的地域發展特點、煤層賦存條件、礦井災害嚴重程度、人才技術裝備等,因地制宜、分類、分礦地制定快速掘進裝備配套方案,以適應不同條件下的巷道掘進并發揮快掘設備效能,主要有以下五種快速掘進模式及裝備。

2.1 全斷面掘錨一體高效快掘系統

在各礦區近水平、巷道起伏變化小、地質構造簡單、頂板中等穩定以上、施工長度大于2 000 m,寬度5.0～6.0 m、高度3.0～4.5 m的矩形煤層巷道內,優先推廣應用高集成全斷面掘錨一體高效快速掘進系統,如圖1所示。

圖1 全斷面掘錨一體快速掘進系統示意圖Fig.1 Full-section driving-anchoring integrated rapid tunneling system

該系統主要采用全斷面掘錨一體機+多臂錨運破一體機+可彎曲膠帶轉載機+自移機尾+除塵系統的快速掘進作業線,采用掘、支、運并行作業三位一體的快速掘進模式。掘錨一體機負責全斷面一次成型的掘進,同時進行必要的一次支護；錨運破一體機在破碎轉運的同時完成整個的永久支護；可彎曲膠帶轉載機可上下、左右彎曲,搭接在自移機尾上。可實現掘進、支護、運輸并行連續作業,具備超前探放、數字截割、半自動錨桿支護、數字導向、負壓除塵、連續破碎運輸和智能遠程操控的高效一體化作業,解決煤巷掘進、支護、運輸、通風、除塵、供電、給排水、控制通訊等系列問題[5]。

目前已建成17套該快掘系統,在15個礦井進行應用,在陜北礦區及黃陵應用的較為成熟,陜北礦區平均單進可達1 500～1 800 m,陜北礦業張家峁煤礦9月份掘進進尺達到2 800 m,榆北煤業曹家灘煤礦掘進進尺最高達到2 020 m;黃陵礦區平均單進可達550～650 m，黃陵二號煤礦8月份進尺達到681 m,均突破了所在礦區單進最高水平;單班作業人數由原來的15～20人減少至8～10人;該系統在蒲北、彬長、關中礦區正在進行現場的工業性試驗及設備適應性改造,預計2021年可充分發揮設備快掘效能,大幅提高單進水平。

2.2 掘錨護一體機+錨運破一體機快速掘進系統

針對巷道有起伏、不穩定頂底板、片幫冒頂需及時支護、斷面相對較小、施工長度大于2 000 m的煤及半煤巖巷道,采用雙臂/四臂掘錨護一體機+多臂錨運破一體機+可彎曲膠帶轉載機+自移機尾+除塵系統的快速掘進作業線[6],如圖2所示。

圖2 掘錨護一體快速掘進系統示意圖Fig.2 Tunneling-anchoring-protecting integrated rapid tunneling system

該系統將縱軸式全斷面掘錨一體機改為橫軸式懸臂掘錨護一體機,以解決復雜地質條件下巷道斷面成型及掘、支靈活適應的問題,另外縱軸式懸臂的截割功率大,可適應半煤巖巷道掘進。

該系統主要施工工藝為掘進機向前掘進一到兩排后,錨桿機分別遙控伸到工作面迎頭,根據需要打部分頂或幫的錨桿或錨索,運錨機在轉載的同時進行其余錨桿或錨索的補打。可實現分次支護、集中支護作業,大幅度提高了支護環節的作業效率,同時也具備超前探放、數字截割、負壓除塵、智能遠程操控等功能[7-8]。

目前建成掘錨機+錨運破一體機快速掘進系統3套,掘錨機+兩臂錨桿機快速掘進系統2套,掘錨一體機2套,在6個礦井進行應用。黃陵一號煤礦及二號煤礦采用此快掘系統,月進尺350～450 m;彬長胡家河、孟村煤礦采用四臂掘錨護一體機+兩臂錨桿臺車掘進作業線,目前月平均進尺已從130～150 m提高至200 m以上;銅川下石節礦及澄合董家河礦采用兩臂掘錨護一體機配合原有的單體錨桿鉆機掘進,董家河原懸臂式綜掘機+單體錨桿鉆機作業線月進尺200～300 m,目前月進尺350～400 m,7月份月最高進尺541 m。

2.3 護盾式智能快速掘進機器人系統

針對小保當一號礦巷道斷面尺寸大(6.50 m×4.25 m)、夾矸厚度大(0.4～2.0 m)且硬度高(f5-f7)、圍巖破碎易片幫需及時支護等掘進難題,陜煤集團聯合西安煤礦機械公司、西安科技大學研制了世界首套煤礦智能掘進機器人系統,如圖3所示。

圖3 護盾式智能快速掘進機器人廠區組裝現場Fig.3 Assembling site for shield tunneling intelligent rapid tunneling robot system

該系統集掘、支、錨、運、通風、除塵等功能于一體,主要包括掘進機器人、臨時支護機器人Ⅰ和Ⅱ、鉆錨機器人、錨網運輸機器人、電液控平臺等。掘進機器人全斷面一次截割成型,臨時支護機器人Ⅰ和Ⅱ進行臨時支護,鉆錨機器人能夠人機協同完成永久支護作業;具有智能定位定向、定形截割、行駛糾偏、智能運網布網、多機器人協同控制與并行作業、遠程智能監測監控等功能[9],實現了地面與井下全系統虛擬智能測控和一鍵啟停,破解了復雜地質條件的大斷面巷道快速掘進難題,提高了掘進效率,保障了安全生產。

目前該系統已在小保當112204工作面膠運順槽進行工業性試驗,對部分系統進行適應性改造,日最高進尺28 m,月進尺可達800～1 000 m。正在進一步研制小型化、靈活性更強的二代產品,以適應于彬黃及關中礦區的復雜地質條件的智能快速掘進。

2.4 龍門式鉆錨作業平臺

針對關中礦區地質條件復雜、地質構造多、圍巖條件差、巷道底鼓和起伏大、巷道斷面小、生產系統復雜的特殊條件,韓城礦業公司聯合韓城煤機廠、太原煤科院、西安科技大學等單位聯合研制了龍門式鉆錨作業平臺,如圖4所示。

圖4 龍門式鉆錨作業平臺地面安裝現場Fig.4 Assembling site for gantry drilling-anchoring working platform

該平臺采用時空立體交叉施工作業方法,綜掘機和龍門式鉆錨作業平臺交叉作業,充分利用時間和空間,提高時間和空間利用率,通過掘支平行作業、集成多臂式支護作業平臺等手段,提高支護環節的作業效率,保障作業的安全性。

該龍門式鉆錨平臺主要是配合掘進機進行交叉作業,掘進機完成割煤后退出,龍門式鉆錨平臺及時緊跟掘進工作面進行臨時支護,在臨時支護掩護下架載鉆孔系統實施多鉆機平行作業,5～8臺液壓錨桿鉆機平行作業[10]。韓城礦業象山礦在井下應用后,大幅度提高了支護作業效率、減少了支護作業時間、減少了人員數量，減輕了勞動強度,明顯提升了成巷速度,月進尺由220～250 m提高至350 m左右。

2.5 邁步支架超前支護快速掘進系統

針對近水平、地質條件復雜、圍巖條件差、易片幫冒頂的不穩定頂板等情況,黃陵礦區采用邁步支架超前支護快速掘進系統,如圖5所示。

圖5 黃陵一號煤礦進下掘進迎頭現場Fig.5 Heading site of tunneling in Huangling No.1 mine

該系統主要由懸臂式綜掘機+單體錨桿鉆機/兩臂四臂錨桿臺車+邁步自移支架組成[11],作業時綜掘機連續向前掘進,超前支架交叉式邁步向前行走,超前支架(15～25 m)對空頂進行臨時性支護。在掘進機后方支架支護空間內進行集中支護作業,支護采用單體錨桿鉆機或者兩臂/四臂錨桿臺車進行錨桿的打設[12]。

目前黃陵一號煤礦、二號煤礦、雙龍煤礦回采巷道大部分采用此形式進行掘進,月進尺350～450 m。下一步研制拱形邁步式自移支架,以適應于復雜地質條件的拱形巷道掘進。

3 快速掘進系統建設總體成效

目前陜北礦區應用全斷面掘錨一體快掘系統成效顯著,銅川、黃陵礦區應用效果也相對較好,關中、彬長礦區更適用于適用性、靈活性強、能及時支護的小型化快掘系統。各礦區通過建設不同形式的快掘系統,掘進工作面個數大幅減少,單進水平顯著提升。

3.1 掘進工作面個數

2018年底陜煤集團所屬礦井共有掘進工作面283個,綜掘作業線基本為懸臂式綜掘機+單體錨桿鉆機,炮掘工作面有72個,工作面平均單進水平為252 m/月,掘進作業人員18 895人。2020年底所屬礦井共有掘進工作面178個,工作面平均單進水平320 m/月，掘進工作面減少了105個,減少37.1%,如圖6所示。綜合單進水平提高了27%,掘進作業人員減少了18%。

圖6 各礦業公司掘進工作面個數情況Fig.6 Driving face quantity of various coal mines

3.2 綜合單進水平

目前榆北煤業快速掘進系統建設較快,現場應用成熟,掘進工作面個數減少了70.6%,單進水平提高了410%,陜北礦業、黃陵礦業、澄合礦業單進水平提高均在40%以上,陜北礦業、澄合礦業、韓城礦業掘進工作面個數均減少了30%以上,如圖7所示。

圖7 各礦業公司單進水平提升情況Fig.7 Improvement of single entry level in various coal mines

4 結語

各礦區在條件適宜情況下優先推廣高集成全斷面掘錨一體高效快速掘進系統,針對不同的巷道斷面及地質條件進行優化調整,形成系列化的快掘裝備作業線,提高了礦井掘進裝備水平,提高了礦井綜合單進水平,實現了掘進減頭減面減人,提升了礦井綜合效益,實現了礦井健康良性發展。下一步將繼續總結煤礦智能快速掘進經驗,圍繞“智能自動截割掘進、全自動鉆錨支護作業、智能監測及故障自診斷、智能高效輔助”等方面,不斷加大投入力度,開展核心關鍵技術和共性技術研究,深化“產、學、研、用”融合,力爭形成一批技術先進、行業領先的煤礦智能快速掘進成熟方案。