煤矿巷道掘进成套设备及施工工艺探讨

前言

随着科技水平的提升，为了满足多种类型煤层开采工艺需求，已有越来越多的综采设备与技术被应用于煤矿开采中，煤矿巷道掘进作业效率有了大幅提升。但是，相比于国际采矿掘进设备与技术，国内所使用的设备仍较为落后，还有待进一步改进。在煤矿资源的连续性生产中，巷道掘进的速度在很大程度上限制了生产效率。因此，为了提高煤矿资源开采效率，必须不断完善掘进技术及成套设备，并积极研发掘进新工艺、新技术、新设备，以适应不同条件下的煤层开采需求。

1、煤矿巷道施工工艺流程

现阶段，随着煤矿能源建设事业的发展，在煤矿巷道掘进方面，已逐渐形成较为完整的工艺流程。其中，以细节划分，可将其工艺流程划分为几十种。并且，在同一类型的工艺流程中，也可能因实际需求的差异，而采用不同的掘进设备。本文根据掘进方式的不同，详细分析了各类施工方法

2、煤矿巷道掘进方式的成套设备及施工工艺分析

2.1 人工钻爆掘进

在当前煤矿巷道掘进施工中，人工钻爆方式相较而言，是一种极为落后的工艺，被称之为普掘工艺。这种掘进施工工艺对施工人员的劳力要求非常大，并且安全性较低，掘进效率不高。现阶段，由于经济限制、地质条件等多方面因素影响，在部分地区的煤矿想到掘进中，仍在使用这一施工工艺。通常情况下，人工钻爆工艺是在综掘机采工艺难以实现的前提下实施，如坡度过大、岩石硬度过高等场合。

人工钻爆的施工步骤为：打炮眼→装药→爆破→临时支护→永久支护→排矸→喷浆。其中，通常借助煤电钻、手持式气动凿岩钻机等小型设备进行炮眼打制，完成打炮眼程序后，由相关人员亲自动手安置爆破所需药量，在爆破完成后通过人工完成探梁临时支护，再使用气动锚杆机或液压进行锚杆永久支护。在人工钻爆施工步骤中，排矸主要分为两种，即机械装岩排矸与人工装岩排矸。机械装岩排矸主要采用的组合方式有三种，分别为：侧卸车+矿车、耙斗机+矿车、装岩机+轨轮式梭车+矿车。人工装岩排矸则是通过人工直接装载矿车或刮板机+耙斗的方式进行施工，人工作业强度大，且效率不高，通常在小规模煤矿单位内使用较多。

2.2 液压钻车钻爆掘进

液压钻车钻爆工艺与人工钻爆工艺的区别，主要体现在打炮眼及部分锚杆支护的施工上。在人工钻爆工艺中，打炮眼、装置炸药、搭建支护等工序基本上都需要通过人工劳动进行，仅排矸环节由过机械设备完成，掘进作业效率较低，劳动强度非常大，特别是在打炮眼与支护搭建方面，工作量极为繁重。而在液压钻车钻爆工艺中，主要通过液压钻车完成炮眼打制及部分锚杆支护构建施工需求。

液压钻车钻爆的施工工艺相比于人工钻爆，并无较大差异，只是在打炮眼与部分锚杆施工上，由液压钻车替代人工劳作。其中，在进行爆破时，为避免液压钻机受到损害，必须远离工作面。在完成爆破工序后，与人工钻爆方式一致，在排矸中也可通过装岩机+梭车+矿车组合方式完成作业。液压钻车钻爆工艺的使用，让掘进工艺的机械化程度加大，在有效降低人工劳动强度的同时，大幅度提升了掘进施工效率。

2.3 悬臂式掘进机掘进

悬臂式掘进机在岩（煤）层突破上，主要利用截割头的旋转进行作业，通过操作截割部，让巷道成为整体的截断面，并由铲板收集截下的矸石，再传输至后配套设备。悬臂式掘进机兼具破岩与岩石装载功能，直接省去人工爆破与液压钻车钻爆掘进所需的打炮眼、装药以及相关辅助工序，让煤矿巷道掘进作业变得更为高效，因而被称之为综合机械化掘进，其机械化程度更高。现阶段，综合机械化掘进在国内煤矿巷道中应用较为广泛，并逐渐取代原有的炮掘工艺。悬臂式掘进机掘进的施工步骤如下图：

（1）普通掘进机截割掘进

当前，国内以普通型掘进机应用为主，并且主要是在巷道硬度低于f5的情况下进行。这些掘进机主要由一些大型的煤矿掘进机生产企业制造。其中，针对截割功率的不同，将掘进机的型号分为EBZ100、E-BZ160、EBZ132、EBZ200等多种类别。

（2）硬岩掘进机截割掘进

普通掘进机主要应用于地质条件好、岩石硬度较低的煤矿开采场合，能实现巷道掘进的高效施工。但是，对于断层较多、岩石硬度高于f5的特殊施工环境，采用普通掘进机难以达到预期施工效果，并且投资成本较大，因而需采用硬岩掘进机进行作业。其中，综合性能较强的为E-BZ200H 标准型硬岩掘进机，由三一重工所研制，具有更广泛的适应空间，掘进效率也更高。其截割岩石硬度为f10，当岩石硬度在f10以下时，这一类型掘进机能充分发挥最大功效，而岩石硬度超过f10时，而需实施必要的辅助工序。

（3）临时支护

临时支护这一工序的主要作用是为顶板提供及时保护，以避免出现冒顶状况，并保障永久支护施工安全。当前，在许多煤矿巷道掘进施工中，都是采用极为简单的临时支护工艺，即通过单体液压支柱或穿管前探梁成为是临时支护作业需求。这种方式主要是由人工作业进行，所应用到的设备也较为简单，支护效果不大，安全性较低。在掘进机支护功能研制方面，还尚未有较为成熟的技术，存在支护范围窄、超前量小等缺陷。

此外，在临时支护工序上，还可采用另一种施工方法，即迈步自移式。这种方式主要通过跨在掘进机两侧，实现与掘进机的共同作业，能及时进行支护，并且支护范围较大。掘进与支护同时进行的施工方式，能将煤矿开采效率提升至更高层次。但该项技术目前仍处于研制阶段，还未真正应用于实践。

（4）永久支护

现阶段，在巷道掘进永久支护上，大部分煤矿单位均采用锚杆锚索支护，并随着实践经验的累积，这种支护技术已逐渐成熟。但是，锚杆支护的施工方式，仍需依靠液压锚杆机或手持式气动完成作业，工艺较为落后。如何实现锚杆施工的机械化，成为当前国内外煤机制造企业研究的重要方向。其中，由三一重工所研究制造的掘锚机，便进行了锚杆施工机械化的尝试。其将两部锚杆钻机安置于掘进机的截割部，通过调整锚杆机位置、角度，配合截割部的摆动，完成相关这一工序。掘锚机的研制，基本实现了锚护作业的机械化，施工效率有了大幅度提升，但其主要是在已具备综合性能的掘进机装置上，新增的部件，还未实现与掘进机其它功能的协调配合与优化设计，在具体施工过程中，极易受到巷道侧帮影响，且存在较大的空顶距，无法在特殊巷道施工。

（5）运输

在掘进机后配套运输方面，当前煤矿企业所采用的运输方式较多，包含梭式矿车运输、矿车运输、皮带机连续转载运输等。通过调查分析得出，其中最有效的运输方式为三种。第一种为掘进机、第二运输机、皮带运输机组合运输形式；第二种为掘进机、第二运输机、皮带运输机、专用矸石仓缓冲矿车组合模式；第三种为掘进机、龙门式第二运输机、移动式矸石仓缓冲、龙门式皮带运输机、多矿车组合模式。

（6）除尘

在煤矿巷道掘进施工中，往往会生产大量的粉尘。并且，由于通风设施条件限制，掘进机所具备的喷雾除尘高效难以发挥预期效果，致使施工人员处在空气污染极为严重的作业环境中，身体健康受到极大损害。因此，在掘进机功能开发上，还应加强除尘功能研发，完善除尘系统，以最大限度改善矿工人员的施工环境，达到理想的除尘效果。

2.4 连采机掘进

连采机掘进是一种机械化程度较高的施工方法，为房柱式采煤法逐渐演变而成。在其掘进施工中，极少涉及人力劳作，只需通过机械设备操作与检修，便可完成相关掘进任务，掘进效率非常高，进尺速度快达1000m/M。

在巷道掘进中，连采机的应用通常为2至3条巷道同时施工，巷道之间相隔的距离一般是25m，并在其间隔中每50m左右，便需开拓联巷，以为调车与通风提供便利。在掘进施工过程中，现在第一巷道中进行施工，通过连采机运输部将截割下的煤转载至其后相连的运煤车内，当转载达到一定量时，迅速进行运煤车的转换，由空载运煤车继续转载，保持煤矿转载的持续性。装载完成后的运煤车将煤矿转载至破碎机，完成煤矿的破碎工序，之后再经过皮带运输机，成功运输到地面。运煤车在完成煤矿原料转载后，重新返回连采机相连位置，开始新一轮的运输工作。

当掘进中连采机前进到一定位置时，即空顶距达到10～15m，需停止掘进，通过联巷进入另一条巷道，开展新的掘进工作。而在另一条巷道作业的锚杆机，同样经过联巷，进入已停止掘进的新巷道内，开展支护作业。在这个过程中，施工中应用到的物料由运料车负责输送，巷道修整与浮煤清理工作则由铲车完成。在进行煤柱回收时，所需的移动式支护可通过行走式液压支架来实现作业。连采掘进机对巷道地质条件有着较高要求，主要应用于空顶距高于10m、倾角低于10°的全煤巷道，因而其在具体煤矿开采中的应用较少，仅在陕西、鄂尔多斯至榆林一带的煤矿开采中使用。连采掘进机虽然施工的限制条件较多，但其机械化程度较高，能大幅度提升巷道掘进作业效率。

2.5 掘锚一体化掘进

在煤矿巷道掘进中，采用连采掘进机施工工艺，要同时进行2～3条巷道的掘进施工，其中不可避免地增加联巷施工量，并且需频繁进行车辆的巷道调换，致使施工流程变得更加复杂，应用设备较多，最终加重了巷道掘进成本。现阶段，掘锚一体机是国际上较为领先的巷道掘进方式，兼具掘进、临时支护、锚杆支护等实用功能，实现了多道工序的同时作业。

采用掘锚一体化掘进施工工艺，需要配置相关的运输设备，如皮带机或梭车，相比于连采掘进机，所应用到的设备较少，但施工效率同样较高。例如，山特维克掘锚机，具备遥控与手动操作两种运行方式。从其构造上看，是在连采机基础上增置了锚杆机与临时支护设备，能同时进行掘进、锚杆、支护作业，施工效率非常高，但对巷道要求也较高，并且机械设备的维护难度较大。目前，在国内煤矿开采中，还较少采用山特维克这类国外所研制的锚杆机，仅在神华集团、同煤集团、山东兖矿尝试应用了这一工艺，但因地质条件等各方面因素影响，实践应用效果并不理想。

结束语

我国地大物广，煤矿资源总储量占全球首位，极为丰富，但其实际分布较不均匀，不同地区煤矿地质状况存在较大差异，需要采用不同的施工工艺与机械设备。在此情况下，各类机械化成套设备成为煤矿巷道掘进高效进行的重要支撑，掘进成套设备与施工工艺的应用，使得煤矿开采的机械化程度不断提升，综掘效率也获得了大幅度提高。

作者简介

高云太，（1979.12.10），男，甘肃省平凉市，现职称：矿建工程师，学历：本科，研究方向：煤矿井下工程施工，改进施工工艺。