巷道掘進方案優選及掘錨參數設計

王 璐

(山西省煤炭規劃設計院(集團)有限公司 長治分公司,山西 長治 046000)

隨著先進的開采設備應用推廣,采面推進速度及煤炭產量均顯著提升,礦井采掘接替緊張問題更為突出[1-2]。眾多的工程實踐表明,采用綜合機械、自動化設備代替傳統的施工工藝是實現巷道快速掘進的主要途徑,也是緩解采掘接替緊張的主要措施之一[3-6]。掘錨一體機集中了掘進、支護、運行、行走及除塵等功能,集成化及自動化程度較高,能顯著提升掘進率、圍巖支護效率,同時在增強安全保障能力、降低作業人員勞動強度等方面優勢明顯[7-9]。山西某礦現階段煤巷均采用綜掘方式掘進,月掘進進尺在300 m左右,巷道掘進時單機作業效率偏低,導致礦井采掘接替較為緊張。隨著以掘錨一體機為核心的快速掘進系統推廣應用,巷道掘進效率得以顯著提升,為此礦井提出在9號煤層9503運輸巷掘進中引進掘錨一體機快速掘進技術,以期達到提升巷道掘進效率、解決礦井采掘接替緊張問題的目的。

1 工程概況

9503運輸巷沿回采的9號煤層底板掘進,9號煤層厚度為3.13～4.20 m,均值為3.45 m,煤層傾角為1°～6°,煤層賦存較為穩定,中部靠上存在厚度為0.2～0.45 m的炭質泥巖夾矸。9號煤層頂底板巖性以泥巖、砂巖及灰巖為主,具體如表1所示。

依據9503運輸巷掘進區域現場地質條件、礦井掘進及支護設備配備情況,確定巷道為矩形斷面(掘寬5.4 m、掘高3.4 m),巷道掘進長度為5 000 m,巷道掘進區域內地質構造不發育,水文地質條件簡單。9503運輸巷設計采用錨網索方式支護圍巖,具體頂板采用Φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+Φ15.24 mm×6 000 mm鋼絞線錨索+金屬網支護,錨桿間排距為800 mm×800 mm,錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm;煤柱幫及采面幫分別采用Φ20 mm×1 800 mm螺紋鋼錨桿、Φ20 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿支護,間排距均為900 mm×800 mm.

表1 9號煤層頂底板巖性

2 巷道掘進方案優選

現階段礦井掘錨一體機巷道掘進方式有下述兩種類型:①掘錨一體機+連續運輸方式,可實現掘進、支護等平行作業,在陜西榆林礦區應用較為廣泛;②掘錨一體機+間斷運輸方式,主要配套設備為梭車,掘進、支護順序作業,在鄂爾多斯礦區應用較為廣泛。文中結合9503運輸巷現場實際條件,對上述兩種掘進方案進行比對分析,最終優選適合巷道實際需要的掘進方案。

1.1 方案1

該方案為連續運輸方式,主要的掘進及配套設備為掘錨一體機、帶式轉載機、錨桿轉載機、自移機尾等,具體使用EJM340錨掘一體機實現截割、裝載同時完成部分側幫、頂板錨桿支護;采用MZHB5-1200/25錨桿轉載機完成部分錨索、錨桿支護;采用DZQ100/100/40帶式轉載機將原煤轉運至帶式輸送機。通過多設備配備完成巷道掘進、支護、運輸等工作,具體巷道內掘進設備配備情況如圖1所示。

圖1 方案1設備配套情況

巷道掘進采用方案1時,主要優點有:①機載支護設備可實現全程機械化操作,明顯降低作業人員勞動強度;②實現巷道內連續運輸,對支護任務進行合理分配后可顯著提升巷道掘進效率;③鉆進設備多,可依據現場支護需要分配支護任務;④轉載機與自移機尾搭接距離長,明顯減少機尾移動頻次。

存在弊端有:在切巷與聯巷轉角處施工時,受現場條件制約無法使用轉載機直接轉載,截割的煤矸需二次轉運。

1.2 方案2

采用間斷運輸掘進方式,主要的掘進及配套設備為錨掘一體機、梭車、履帶式破碎機等,可實現掘進及圍巖支護作業及機械化,同時截割產生的煤矸通過間斷式運輸,以實現巷道快速掘進。掘進時采用型號EJM340掘錨一體機進行截割、裝煤等操作,同時利用機載錨桿鉆機實現頂錨桿支護;使用SC15/182F型梭車將截割的煤矸轉運至破碎機;使用PZL460/150破碎機實現煤矸破碎、轉載;破碎后的煤矸使用DSJ100/100/2×40型帶式輸送機外運。巷道頂錨索、巷幫錨桿使用錨桿錨索鉆機施工,具體巷道掘進設備配備情況如圖2所示。

巷道掘進采用方案2時,主要優點有:①間斷運輸方式機動靈活,可滿足復雜條件下巷道快速掘進需要;②切巷與聯巷轉角處施工時可直接運輸截割的煤矸。

存在弊端有:①巷道掘進時,無法實現煤矸連續運輸;②梭車需往返移動,從而會給底板施加較大應力,容易導致底板破碎、變形等問題;③掘錨一體機機載錨桿鉆機圍巖支護工作量大。

1.3 掘進方案優選

上述2種巷道掘進及支護設備比對結果如表2所示,兩種掘進方案均有其自身的特點,具體結合9503運輸巷現場實際情況并從掘進效率及自動化程度兩個方面考慮優選掘進方案,具體比對結果為:

表2 兩種巷道掘進及支護設備比對結果

1) 掘進效率。掘進效率直接影響巷道掘進速度、采面布置等,是選擇掘進方案時需要重點考慮的內容。掘進方案一配套的鉆架數量較多,從而可更好地適應復雜地質條件圍巖支護需要,當地質條件較差時可由掘錨一體機承擔較多的圍巖支護工作;而圍巖條件較好時則可將頂板部分錨桿及定錨索交由錨桿轉載機承擔,從而可顯著提升圍巖支護效率。而方案2大部分的圍巖支護工作由錨掘錨一體機承擔,僅部分的滯后錨桿及錨索由單體錨桿錨索鉆機承擔,且單體錨桿錨索鉆機圍巖支護效率較低。

2) 機械化程度。方案1中掘進、轉載、運輸以及圍巖支護等均實現了機械化操作,而方案2中部分圍巖支護仍是半機械化。方案1的整體機械化水平更高,現場作業人員工作環境更好,工作勞動強度更低。

雖然在聯巷、切巷等施工時掘進方案1沒有掘進方案2靈活,但是考慮到9503運輸巷掘進長度可達5 000 m,直巷掘進效率直接影響采面巷道施工效率,因此,綜合比對分析后,確定9503運輸巷掘進選用方案1,即采用EJM340錨掘一體機+MZHB5-1200/25錨桿轉載機+DZQ100/100/40帶式轉載機+DWZY1000/1200自移機尾組合配套方式進行掘進。

3 掘錨參數設計及工程應用分析

3.1 掘錨參數設計

9503運輸巷使用掘錨一體機連續掘進工藝,因此應合理分配掘錨一體機、錨桿轉載機圍巖支護任務,在確保圍巖穩定基礎上提升支護效率。在正常掘進時,錨桿及錨索支護任務分配情況如圖3所示。其中頂板①、③、⑤、⑦錨桿及錨索(一排兩根),巷幫上部的①、②錨桿均由掘錨一體機負責施工,具體如圖3(a)所示;頂板②、④、⑥錨桿及巷幫下部的③、④錨桿由錨桿轉載機負責施工,具體如圖3(b)所示。采用上述分配方式時可實現掘錨一體機與錨桿轉載機平行作業。

圖3 錨桿及錨索支護任務分配情況(單位:mm)

3.2 工程應用分析

依據9503運輸巷掘進安排,采用掘錨一體機掘進時單個掘進循環耗時平均為30 min,礦井采用“三八”作業制,每天有2個生產班組,結合有關生產指標計算得到巷道月平均掘進進尺可達到583 m,具體掘進指標如表3所示。

表3 巷道掘進指標

4 結 語

為實現9503運輸巷快速掘進、解決礦井采掘接替緊張局面,提出在巷道掘進中引進掘錨一體機,并對掘錨一體機應用時連續運輸、間斷運輸掘進方案進行分析,并從掘進效率、機械化程度等方面對掘進方案進行優選,最終確定將連續運輸掘進方案應用到9503運輸巷掘進中。

巷道掘進時綜合使用的掘進設備為EJM340錨掘一體機+MZHB5-1200/25錨桿轉載機+DZQ100/100/40帶式轉載機+DWZY1000/1200自移機尾組,通過對錨掘一體機、錨桿轉載機合理分配支護任務實現平行作業,提升了巷道圍巖支護效率。工程應用后,9503運輸巷月掘進進尺可達到583 m,實現了巷道快速掘進的預期目標。