謝橋煤礦下巷車場及聯巷掘進出矸系統優化

陳本良，王開元

(1.煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南 232000；2.淮河能源控股集團有限責任公司 謝橋煤礦，安徽 淮南 236221)

近年來，隨著我國經濟發展轉型和能源供給側改革[1]，小煤礦淘汰力度加大，大型煤礦數量占比逐步增大，《全國安全生產專項整治三年行動計劃》提出，2022年全國大型煤礦的占比將達到70%以上[2]。如何大幅提高大型礦井出矸作業效率、降低勞動強度，以保障礦井“掘、裝、運、采”平衡，成為我國煤礦現階段研究的重要課題[3]。液壓耙矸機、側卸式裝載機、帶式輸送機、礦車等裝運矸設備在煤礦巖巷掘進中普遍使用。液壓耙矸機用于礦山巖巷掘進裝矸，通過履帶推進鏟取矸石，通過鏟斗將矸石扒進刮板輸送機上，從尾部卸入礦車或其他轉載設備中[4]。礦車具有體積小、周轉方便的優點，在施工井底車場、硐室、彎道等一些距離較短的巷道時，較為適用；當巷道距離較長時弊端顯現，比如鋪軌周期長、占據巷道空間大、裝矸不連續、倒運量大、人員投入多、費時費力等[5]，嚴重影響巷道掘進速度[6]。帶式輸送機適合長距離、大流量運輸，但對巷道坡度、平直性、彎度等要求較高[7]。

謝橋煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產能力達到1000萬t/a[8]，對采、掘接替要求高。12314工作面下巷車場及聯巷出矸系統復雜，且生產任務重，為加快該工作面的掘進速度，首先要解決出矸效率問題。

1 工程概況

12314下巷車場及聯巷布置如圖1所示，總長481.78m。巷道從西翼B4煤層底板軌道上山撥門開始，以3‰上坡施工12314下巷車場，長114.73m；再以17°上山施工12314下巷運輸聯巷，長40.85m；再以3‰上坡施工12314下巷出煤聯巷，長281.82m；最后再以14°上山施工12314下巷機頭聯巷，長34.58m。

圖1 12314下巷車場及聯巷布置

12314工作面下巷車場及聯巷變坡點多、彎道多，每段長度差別大，工程條件差異大，出矸系統不能一成不變，應分段設計、總體優化，使出矸設備功能與巷道工程技術條件相適應，并借助矸石倉、溜煤立眼等輔助措施，最終達到提高工效、降低勞動強度、保障“掘、裝、運”平衡的目的。

2 12314下巷車場出矸系統

2.1 12314下巷車場出矸系統設計

首先掘進12314下巷車場，巷道長度114.73m，轉角彎度接近90°，采用“耙斗裝巖機+礦車”出矸系統[9]，其出矸的工藝組合系統如圖2所示。迎頭出矸采用耙斗裝巖機，型號為P-90(B)，可實現迎頭快速耙矸、裝矸；后路運輸采用礦車，從西翼B4煤層底板軌道上山內軌道分叉，引入12314下巷車場；考慮車場段距離較短，坡度較小，現場采用人工推車方式。

圖2 “耙斗裝巖機+礦車”出矸組合系統

根據現場實踐發現，每班用工9人，其中上口4人，下口4人，絞車司機1人；前期掘進、出矸速度較快，每班出矸9車，平均每月進尺達到55m；拐彎后排矸效率逐漸降低，裝矸、運矸工序占用時間較長，每班出矸6車，平均每月進尺降低到36m。

2.2 12314下巷車場出矸系統優缺點

1)“耙斗裝巖機+礦車”出矸系統優點為：準備工程量小，工期短，經濟成本低。

2)“耙斗裝巖機+礦車”出矸系統缺點為：①裝矸、運矸工序不連續，造成整個排矸工作用時較長，排矸效率逐漸降低；②打運人數多，人員勞動強度大，存在安全隱患；③打運期間警戒時間長，影響本掘進工作面的人員同行和物料打運，同時還影響另一個掘進工作面的施工。

2.3 12314下巷車場出矸系統適用條件

“耙斗裝巖機+礦車”出矸系統適用條件為：①巷道長度不大于80m為宜；②巷道彎道轉角大，不具備鋪設帶式輸送機條件；③巷道坡度小于7‰。

3 12314下巷運輸聯巷出矸系統

3.1 12314下巷運輸聯巷出矸系統設計

運輸聯巷坡度為17°，由于坡度較大，不能使用礦車出矸，因此，運輸聯巷掘進期間，迎頭出矸采用“耙斗裝巖機+帶式輸送機”，耙斗裝巖機型號為P-90(B)，帶式輸送機為55kW電滾筒帶式輸送機。車場由于彎度較大不具備鋪設帶式輸送機的條件，因此帶式輸送機只鋪設到運輸聯巷段，帶式輸送機后(車場段)仍使用礦車出矸。

由上面可知，車場掘進后期礦車運矸工效較低，如果在帶式輸送機后直接用礦車運輸，整個運輸效率將會比車場更低。優化方法為：在車場下部巷道靠邊挖一深坑，該坑作為水平臨時矸石倉，儲存迎頭帶式輸送機運來的矸石；同時，在此處配備P-90(B)型耙斗裝巖機、礦車，進行矸石的巷道運輸，形成“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+耙斗裝巖機+礦車”出矸系統[10-12]，其出矸組合系統如圖3所示。

圖3 “耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+耙斗裝巖機+礦車”出矸組合系統

矸石倉作為該出矸系統的矸石臨時儲存和中轉的樞紐，緊跟在帶式輸送機后方，位于車場與運輸聯巷連接處，體積容量以滿足兩個爆破掘進循環的出矸量為宜。每班掘進進尺按2.0m設計，則每次爆破產生的矸石約為30m3左右，再考慮爆破后巖石的松散系數，則每班爆破的矸石體積有50m3，因此矸石倉的設計容積為100m3。矸石倉橫斷面如圖4所示。

圖4 矸石倉橫斷面(mm)

矸石倉的施工參數及步驟如下：①矸石倉搭設長度35m，將矸石倉所在范圍內進行統一挖底，在靠近倉尾處臥成一條慢上坡，以便耙斗裝巖機上矸方便，同時也可以起到保護設備的作用；②使用3寸鐵管作為立柱，立柱間距2m，立柱上端使用8#鐵絲端捆扎在錨桿上，下端固定在底板上，深入底板不得小于300mm，并用強度不小于C20的水泥澆筑，立柱要垂直頂底板，不得前傾后仰；③立柱之間使用大板密排疊加在一起，疊加高度不小于1.5m，使用雙股8#鐵絲將大板固定在立柱上，大板規格：長×寬×厚=4000mm×200mm×70mm；④矸石倉距離軌道的安全間隙不得小于300mm；⑤耙矸機回頭滑固定在矸石倉內錨桿(錨索)或鋼梁上，耙矸機運行時，矸石倉內嚴禁有人，矸石倉外可以行人；⑥耙矸機耙矸時，不得耙壞立柱基礎，發現立柱基礎損壞的，要及時修補；⑦矸石倉的矸石不得超過矸石倉擋墻高度，灑落在擋墻外的矸石要及時清理。

12314下巷運輸聯巷迎頭排矸采用耙斗裝巖機配合帶式輸送機替代原來的耙斗裝巖機，后路運輸采用水平矸石倉配合礦車替代原來的單一礦車排矸，每班用工13人，其中帶式輸送機司機2人，耙矸機司機2人，上口出矸工4人，下口出矸5人。根據現場實踐發現，運輸聯巷采用“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+礦車”出矸系統，迎頭裝矸和后路運矸相互獨立，每班可出矸18車，平均月進尺達到100m左右。

3.2 12314下巷運輸聯巷出矸系統優缺點

1)“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+礦車”出矸系統具有以下優點：①實現了裝、運平行作業，迎頭“耙斗裝巖機+帶式輸送機”出矸與后路“矸石倉+礦車”運矸互不影響，在迎頭打眼、爆破和支護施工的同時，進行矸石外運作業，真正實現了迎頭施工和后路運輸的平行作業，解決了礦車供應不足、迎頭出矸不及時帶來的停工問題；②矸石倉的使用增大了工作面矸石的儲存空間，充分發揮了帶式輸送機出矸快、效率高的優點，保證了矸石倒運的連續性；③充分實現了儲、裝、運一體化作業，提高了出巖能力和掘進速度。

2)耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+礦車”出矸系統具有以下缺點：①增加了工作人員數量，勞動強度大；②沒有杜絕礦車排矸，仍然存在安全隱患；③礦車打運期間警戒時間長，影響本掘進工作面的人員同行和物料打運，同時還影響另一個掘進工作面的施工；④增加了矸石倉施工工程量。

3.3 12314下巷運輸聯巷出矸系統適用條件

“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+礦車”出矸系統適用條件：①巷道長度一般大于200m；②巷道距離矸石倉較遠；③部分段巷道彎度大，不具備鋪設帶式輸送機條件。

4 12314下巷出煤聯巷出矸系統

4.1 12314下巷出煤聯巷出矸系統設計

12314下巷出煤聯巷坡度為3‰，長316m。在12314下巷運輸聯巷出矸系統的基礎上，為了取消礦車出矸，進一步提高排矸效率，對出煤聯巷的排矸路線和排矸系統進行了進一步優化，提出了溜煤立眼、帶式輸送機溝槽和矸石倉輔助運輸措施，形成了“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+立眼+帶式輸送機”出矸系統，如圖5所示。該系統的排矸路線由原來的“12314下巷出煤聯巷→運輸聯巷→車場→西翼B4煤層底板軌道上山”路線，改進為“12314下巷出煤聯巷→運輸聯巷→西翼B4煤層底板軌道上山”路線，省掉了車場大彎道路線。

圖5 12314下巷出煤聯巷出矸系統

4.1.1 溜矸立眼

溜矸立眼在整個排矸系統優化中起著關鍵作用：一是改變了原始排矸線路，縮短了運輸距離；二是新線路繞過了車場彎道，為使用帶式輸送機出矸代替礦車提供了前提條件[13，14]。

采用反潛鉆機，在西翼B4煤層底板軌道上山向12314下巷車場施工一個直徑為850mm的立眼，然后對立眼進行擴刷和加固。溜矸立眼上口、下口巷道均已掘出，目前附近沒有采掘活動，不會對溜矸立眼施工造成影響。溜矸立眼采用混凝土澆筑，混泥土強度等級為C20，澆筑前上口鐵篦子和下鎖口先用22kg/m鋼軌并排鋪設，使之成為整體。澆筑結束后對溜矸立眼進行注漿加固。溜矸立眼布置如圖6所示。

圖6 溜矸立眼布置(mm)

4.1.2 帶式輸送機溝槽

設計在靠近西翼B4煤層底板軌道上山巷道內的另一幫鋪設帶式輸送機，使用帶式輸送機運輸溜矸立眼的矸石，則帶式輸送機與軌道在12314下巷車場撥門口交叉，相互影響。經過分析，在撥門口前后25m向下挖一溝槽，使帶式輸送機從軌道下方的溝槽內通過，保證帶式輸送機和軌道獨立運轉。溝槽寬1.8m，深0.1～1.4m，長50m，其支護方式如圖7所示[15]。

圖7 帶式輸送機溝槽斷面(mm)

1)溝槽兩邊進行錨網噴支護或澆筑混凝土。錨桿規格為?18mm×1600mm，每孔2支Z2360/Z2850型樹脂錨固劑，錨桿間排距800mm×800mm；鋼筋網規格為?6.5mm×1000mm×1800mm。全斷面掛網，噴厚100mm，混凝土強度為C20。兩幫底腳噴漿至施工底板以下100mm。

2)橫跨帶式輸送機上方鋪設的軌道必須在軌枕下方擔設38kg/m軌道，軌道間距300～400mm，在道板面鋪設大板并打水泥地坪，供行人安全；帶式輸送機上方架設的軌道底面距帶式輸送機架高度不小于300mm。

3)在溝槽兩側底部位置豎向施工?20mm×1800mm錨桿或砸入釬桿，錨桿(或釬桿)間距1m，錨桿每眼一卷Z2850樹脂錨固劑，錨桿(或釬桿)之間用鋼筋網片進行捆扎牢固，防護高度道板面向上不小于300mm。超出道板面部分用70mm厚大板豎向進行防護。

現場實踐發現，12314下巷出煤聯巷出矸每班共需7人，其中帶式輸送機司機2人，耙矸機司機1人，上口出矸工4人，掘進隊由原來的“三八制”調整為“四六制”，平均月進尺達到180m。

4.2 12314下巷出煤聯巷出矸系統優缺點

1)“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+立眼+帶式輸送機”出矸系統優點：①全程取消了礦車，真正實現了連續出矸，提高了出矸系統的機械化水平；②降低了用工數量，比12314下巷車場平均每班少2人，比12314下巷運輸聯巷平均每班少4人，大大節省了人力成本，降低了勞動強度；③優化了排矸路線，縮短了長度；④大大提高了排矸效率和掘進速度。

2)“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+立眼+帶式輸送機”出矸系統缺點：增加了溜矸立眼和帶式輸送機溝槽施工工程量，前期準備工期長，經濟投入大。

4.3 12314下巷出煤聯巷出矸系統適用條件

“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+立眼+帶式輸送機”出矸系統適用條件：①巷道長度大于500m；②巷道距離矸石倉較遠；③礦井生產能力大于300萬t/a；④溜矸立眼長度不超過30m為宜；⑤“四六制”掘進工作制度。

5 結 語

出矸系統是煤礦生產過程中較為重要的一環，出矸效率的高低直接影響企業的生產效益。根據謝橋煤礦12314下巷車場、運輸及出煤聯巷三種工程條件，“因地制宜”的提出了三種出矸系統，通過現場試驗發現，“耙斗裝巖機+礦車”出矸系統前期準備工作量小，但矸石在迎頭堆積，適合短距離、車場彎道出矸；“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+耙斗裝巖機+礦車”實現了裝矸、運矸平行作業，出矸效率有所提高，但用人增多，且仍受礦車運輸約束；“耙斗裝巖機+帶式輸送機+矸石倉+立眼+帶式輸送機”出矸系統真正實現了連續出矸，大大節省了人力成本，提高了出矸效率，月掘進速度達到180m，適合在長距離巷道使用。