煤矿钻爆法岩巷掘进机械化作业线的形成与发展

郭孝先

(煤炭科学研究总院建井研究院，北京 100013)

岩石巷道如岩石平硐、岩石斜井（巷）、岩石巷道、岩石通风巷道、开拓巷道、运输大巷（岩石）、硐室等，是煤矿新井建设的咽喉工程（工程量40%～50%；工期35%～50%）；生产矿井延续生产和解决采掘比例失调的关键工程（生产矿井工程量25%）；因岩石抗压强度大、磨蚀性高，不易像煤与半煤岩巷道那样实现全机械化破岩作业，往往成为煤矿生产建设的艰巨工程、量大面广工程（全国煤矿岩巷掘进总量达2000km以上）。岩巷快速掘进一直受到国内外煤矿业界的重视，并围绕如何提高掘进速度、减轻劳动强度、改善作业环境，探寻科学掘进施工技术与机械化作业方式。上世纪80年代后逐渐认识到，钻爆法机械化掘进与全断面岩石掘进机掘进是岩巷掘进机械化作业的有效途径，从技术经济性全面分析比较，液压掘进钻车为代表的“高档”钻爆法机械化作业线掘进，是相当长时期内主要的作业方式。

1 我国煤矿岩巷掘进机械化发展阶段的分析

1949年以来，我国一直高度重视煤矿岩巷掘进机械化，从人力手工作业为主逐步实现机械作业，并基本跟上了国际先进技术的步伐。

（1）1950年代：引进苏联OM-506型手持式气动凿岩机和ЭпМ-1型装岩机 （正铲后卸式），取代了人工手把钎凿孔、人工装岩作业，但运渣基本靠人工推车或马拉矿车运输，开始了原始的岩巷“机械化”掘进，平均月掘进水平50m左右。

煤炭科学研究总院北京建井研究所开始研究平巷快速掘进、毫秒爆破、装岩机、电动凿岩机；上海研究院开始研究装岩机。

（2）1960年代到 1970年代初：OM-506 型手持气动凿岩机被国产01-30型手持气动凿岩机代替，配用7212型气腿，取代了手持式凿岩作业；推广湿式凿岩取代干式作业。国产H600型电动装岩机取代了ЭпМ-1型装岩机；采用临时金属支架或混凝土支架代替木支架，实现了一次成巷；采用蓄电池电机车运渣。煤炭部总结出《岩巷掘进十六项经验》，平均月掘进水平可达50～60m。

北京建井研究所研究平巷与斜巷（井）铲斗式装岩机、电动凿岩机、混凝土支架机、锚喷支护与混凝土喷射机、斜巷（井）岩石掘进机；上海研究院研究滚耙式装岩机、耙斗式装岩机、岩石电钻与半液压钻车（安装岩石电钻）、全断面岩石掘进机、电动锚杆钻机、气腿式凿岩机。北京建井研究所研制的斜井箕斗得到广泛应用，取代了斜井施工的矿车运输。

这期间，各地曾多次出现“岩巷快速掘进记录”，有的称月进600 m以上甚至“千米”，这些“记录”是当年某种“精神”的象征：一是选择岩层条件好、出渣距离短的巷道；二是机械化水平不高，需靠“人海战术”，工作面凿岩机数量达10余台以上、大量人工辅助装岩，作业环境极差；三是断面极小，大多不超过10 m2；四是多为裸体巷道，并为抢进度大量岩渣堆积在巷道两旁；五是在创“快速掘进记录”后的连续数月内，处理“快速”期间遗留问题，掘进进度缓慢甚至零进尺。因此，当年“快速掘进记录”推广价值不高，但对当时形成《岩巷掘进十六项经验》是有作用的。

（3）1970年代中期到1980年代中期：采用凿岩机与气腿 “联动”的气腿式凿岩机（7655、ZY24、YT24等），但工作面仍为多台凿岩机“平行”凿岩作业。耙斗式装岩机取代了H600型电动装岩机，并推广调车器、浮放道岔等调车技术。推广全断面一次爆破、毫秒爆破、光面爆破技术；大力推行锚杆与预喷射混凝土支护；推行综合防尘技术；力主平行交叉作业。煤炭部于1974年修订了《岩巷掘进十六项经验》，平均月掘进水平可达 60～70m。

北京建井研究所研究、开发了侧卸式装岩机、蟹爪式装岩机、皮带转载机、锚喷支护与混凝土喷射机、锚杆打眼安装机（锚杆钻车）；上海研究院研究了钻装机、耙斗式装岩机、电动凿岩机、全断面岩石掘进机。

1979年末，试验国外全液压掘进钻车与国产侧卸式装岩机配套掘进，液压钻车掘进机械化装备实现稳定快速掘进：1980～1981年，山东协庄煤矿与北京建井研究所合作，采用瑞典TH430型液压钻车，连续掘进断面14.2 m2的岩巷1200 m，最高月进 150 m；1983～1984 年，河南平顶山五矿采用芬兰CMH207-F4型液压钻车，连续掘进断面17.1 m2的岩巷2000 m，最高月进143 m，感受到液压掘进钻车机械化作业线对提高岩巷掘进机械化水平的作用。

（4）1980年代中期到1990年代末期：煤炭行业总结出“气腿式凿岩机和耙斗式装岩机为主的岩巷掘进普通机械化作业线”和“液压掘进钻车和侧卸装岩机为主的岩巷掘进高档机械化作业线”，推行一次爆破、光面爆破和锚喷支护技术；装岩转载技术、激光定向技术等。开始重视稳定的月掘进进尺和年掘进进尺，用减轻劳动强度、改善作业环境和提高作业安全的机械化确保高掘进速度；基本摒弃了靠“人海战术”和拼体力、轻视安全、片面追求创月进记录的时代。液压掘进钻车为代表的“高档”掘进机械化作业线的能力为月进120 m以上，年进1000 m以上的水平，比气腿式凿岩机为代表的“普通”机械化作业线的能力高50%以上，掘进工效提高1倍以上。

此期间证实，在两条作业线之外所试验的钻爆法岩巷机械化作业方式（钻装机作业线、电动凿岩机与耙斗式装岩机作业线、支腿式液压凿岩机与液压耙斗式装岩机作业线），不宜再进行推广和发展；全断面岩石掘进机作业方式，在煤矿应用面不宽，国产设备不够成熟。

北京建井研究所研究试验了全液压钻车和侧卸装岩机为主的机械化作业线，并研究了液压凿岩机与液压掘进钻车、液压凿岩钎具、侧卸式装岩机以及转载机、锚喷支护技术，建立凿岩机具试验室、装运试验室，并按煤炭行业安排建立了煤炭工业北京凿岩机具产品质量监督检验中心和煤炭工业北京锚杆产品质量监督检验中心；上海研究院试验研究了钻装机作业线、电动凿岩机-耙斗装岩机作业线、支腿式液压凿岩机-液压耙斗式装岩机作业线，并研究了支腿式液压凿岩机、液压耙斗式装岩机、钻装机、电动凿岩机与电动耙斗式装岩机、全断面掘进机、锚杆钻机以及导轨式液压凿岩机；南京所研究锚杆钻机、混凝土喷射机等。

这期间，诸多煤矿使用法国或国产化CTH10型液压钻车和国产侧卸式装岩机为主的机械化作业线，使岩巷掘进月进尺突破200m(表1)。

1989年起，煤炭系统重视液压钻车掘进机械化作业的稳定高速掘进的问题，对全液压钻车作业线的掘进队按等级掘进队进行考核。到1997年，年进尺达到等级队的掘进队已有88个（次）。其中甲级队的年掘进进尺为1053～1686.8 m（断面 14.0～21.4m2），乙级队的年掘进进尺也超过了1000m（断面14.0m2左右）。

1995年开始的煤炭行业经济低潮时期，开滦、邢台等煤矿区仍继续使用全液压掘进钻车机械化作业线。

（5）2000年起至今：液压掘进钻车为代表的“高档”岩巷掘进机械化作业线大范围扩大应用。适用于不同断面的液压掘进钻车已由多家企业生产；气腿式凿岩机为代表的“普通”岩巷掘进机械化作业线仍具有应用，多种型号气腿式凿岩机可供选用。耙斗式装岩机出现逐渐被淘汰的趋势，扒斗（挖掘）式装载机大量投入煤矿应用，与侧卸式装岩机一起，逐步取代气腿式凿岩机“普通”掘进机械化作业线的耙斗式装岩机，并与侧卸式装岩机一起，成为液压掘进钻车“高档”掘进机械化作业线的配套装岩设备。

表1 1987～1990年部分全液压钻车作业线月进尺情况

2000年后，开滦煤矿区始终保持10条以上液压钻车作业线正常应用，仅钱家营煤矿就有3条作业线，连续多年年进尺在1000 m以上，平均月进尺达100～120 m。2006年6～9月，铁法小青煤矿使用CMJ-17型液压钻车与ZCY-60型侧卸式装岩机配套，掘进21.84 m2的大断面岩巷，平均月进尺达246 m，最高月进尺251 m，比使用7655气腿式凿岩机的作业线提高了170m。2007年5月起，鹤壁煤业中泰矿业公司在断面16.7m2的岩巷中，使用CMJ-17HT型液压钻车掘进，月进尺连续多个月份达到95～100 m，比使用气腿式凿岩机时的40～50 m提高了1倍。2008年9～11月，平顶山煤业公司在四矿三水平进风井19 m2断面的岩巷（石灰岩，单轴抗压强度103 MPa）中，使用CMJ17型液压钻车掘进，平均月进尺达到127 m，大大高于使用气腿式凿岩机时的平均63 m的掘进速度。国投淮南刘庄煤矿，在试用“硬岩”悬臂式掘进机无效后，进口了5台德国产单臂液压钻车，采用国产侧卸式装岩机与其配套，掘进28～30 m2断面的岩巷，月进尺达90 m。使用液压钻车作业线的新汶孙村、河南郑州告城、山西西山官地、淮南谢桥等煤矿，岩巷掘进速度也都比使用气腿式凿岩机提高了30%～50%。

进入21世纪以来，煤矿在岩巷掘进中继续探索扩大掘进机的应用，包括试用大功率悬臂式掘进机、应用全断面掘进机，但钻爆法机械化作业线仍为岩巷掘进机械化施工的主流。

北京建井研究所在钻爆法岩巷掘进机械化作业线形成过程中，进行了作业线配套方式和爆破技术、锚喷支护的试验研究；研究开发了液压钻车、液压凿岩机、液压凿岩钎具，并进行凿岩机具试验方法研究，促使煤矿用液压凿岩设备基本完善；开发了侧卸式装岩机及转载设备、锚杆产品、锚杆支护施工机具与量测器具；上海研究院开发了耙斗式装岩机和气动、液压锚杆钻机；南京研究所开发了液压、气动和机载锚杆钻机；煤炭行业标准化技术委员会井巷设备分会组织制定了相关技术装备的行业标准；煤炭工业北京凿岩机具产品质量监督检验中心和煤炭工业北京锚杆产品质量监督检验中心，承接了作业线相关产品的质量监控。

在煤矿岩巷掘进机械化发展的各阶段，除煤炭科学研究总院及所属院所外，煤炭行业生产、基建、科技等管理部门以及煤炭与非煤高等院校、煤炭地方科研院所、煤矿生产建设单位、非煤机械制造与科研院所等，都为煤矿岩巷掘进机械化的发展做出了不同的贡献，特别是开滦、邢台等煤矿区使用单位，连续20多年应用全液压掘进钻车为代表的“高档”岩巷掘进机械化作业线，多次打破煤矿大断面机械化岩巷掘进月进记录，为煤炭行业积累了最高月进270 m以上、大面积年掘进1200m以上的宝贵经验。

我国煤矿岩巷掘进机械化的发展进程与国外基本相似，国外也都经历过探索气动或电动凿岩机（钻机）与钻车（半液压钻车）凿岩、钻装机凿岩装载；铲斗式和耙斗式装岩机装岩等阶段，然而，直到上世纪70年代，液压凿岩机正式投入市场、安装液压凿岩机的全液压钻车问世，侧卸式装岩机等成为配套装岩设备后，钻爆法岩巷掘进机械化才达到新的阶段。国外煤矿也曾试用“硬岩”悬臂式掘进机，但因切割刀具损耗大、不经济等，很少在全岩巷道掘进中取得满意效果；全断面岩石掘进机能实现全岩巷道完全机械化掘进作业，但鉴于煤矿使用条件限制和经济因素等影响，使用量一直不是很大；“一机多能”的钻装机，因效率不高、机械事故多等，也未曾在煤矿岩巷掘进中真正广泛应用。

2 二十一世纪煤矿钻爆法岩巷掘进机械化作业线的发展

2.1 全液压掘进钻车进一步完善

（1）“高档”掘进机械化作业线的核心设备——煤矿用液压凿岩机和全液压掘进钻车基本实现国产化：包括双臂和单臂液压掘进钻车（76%为双臂钻车），产品按14～35 m2不同使用断面有“CMJ系列”10余个型号，有约10个企业提供产品。煤矿液压掘进钻车的关键件液压凿岩机,主要为国产HYD200型和法国蒙特贝特公司（HC109、HC 20、H1C50、HC25）、 瑞典阿特拉斯（COP1838、、COP1838HD、COP1838、COP1638、COP1638HD 、COP1238K、COP1132）的产品。 国产液压凿岩机用凿岩钎具（钎头、钎杆、钎尾、接杆套）由国内多家生产，性能与可靠性基本满足要求。

液压凿岩机和全液压掘进钻车经国家 “八五”科技攻关，性能与可靠性已满足煤矿岩巷掘进月进120 m、年进1200 m的要求，21世纪以来的10余年间，在已有成果基础上的市场竞争，又进一步促进了产品的技术进步。

（2）钻爆法“高档”掘进机械化作业线的装岩设备为侧卸式装岩机或扒斗（挖掘）式装载机：约20个企业生产“ZCY”与“ZCD”系列侧卸式装岩机（95%为“ZCY”系列，侧卸装岩机斗容为0.45～1.60 m3，行走机构基本都采用了润滑式履带）；约90个企业生产“ZWY”系列扒斗（挖掘）式装载机（产品名义装载能力为30～200 m3/h,装机功率30～78 kW，行走机构82%为履带式；13%为轮胎式；5%为轨轮式）。

（3）钻爆法岩巷掘进机械化作业线的转载设备以及后配套设备，包括带式转载机、梭式矿车、调车设备、电机车等，均由正规制造企业生产。

（4）有成熟的巷道锚喷支护技术、中深孔和光面爆破技术以及锚杆、锚喷施工机具、锚喷施工质量量测机（器）具。

（5）新一代的岩巷“钻装机组”开发成功：随着液压凿岩机与液压凿岩技术的不断成熟、扒斗（挖掘）式装载机在煤矿的成功应用，“三一”重型装备公司开发了新一代“钻装机组”，其基本特点是：

①采用扒斗（挖掘）式装载机构；

②安装两个钻臂，并设计了离机操纵液压钻臂和凿岩作业的遥控系统；

③新型“钻装机组”的结构紧凑性、可靠性和装载能力方面比上世纪90年代以前的 “钻装机组”优异得多，加上时代的进步，产品实用性大大提高；

④新型“钻装机组”实际应用的月掘进水平为80 m左右，比上世纪80年代从英国进口的钻装机组月进50～60 m的水平有所提高，但仍然低于“全液压掘进钻车作业线”月进120 m以上的水平。

2.2 气腿式凿岩机“普通”机械化作业线的水平有所提高

①气腿式凿岩机性能与国际水平接近，气腿式凿岩机的气腿和凿岩机、气路和水路系统均为联动控制。气腿式凿岩机有 “YT”、“ZY”、“YTP”、7655 等系列（型号），产品的机重（主参数）为23～29 kg，为煤矿供应产品的生产企业达40家，均按煤炭行业标准要求的安全性能和技术性能进行生产。在各类气腿式凿岩机中，机重为28/29kg的占44.5%。

② “普通”作业线的装岩设备耙斗式装岩机，因生产能力与安全因素影响，已逐渐被扒斗（挖掘）式装载机或侧卸式装岩机代替（目前，扒斗式装载机和侧卸式装岩机的生产企业约达110家，厂家数量为耙斗式装岩机的1.5倍）。

③新时期采用气腿式凿岩机作业时，出于安全和降低作业噪声的需要，已基本摒弃了大于4～6台多台平行作业方式。随着煤矿井下压缩空气动力系统不断完善和强化，工作面气压比以前提高，使气腿式凿岩机的实际使用性能比20多年前大大提高。

2.3 钻爆法岩巷掘进机械化作业线主要设备已有完善标准

液压凿岩机、全液压钻车、气腿式凿岩机、凿岩钎具（钎头钻头、钎杆钻杆、钎尾、接杆套）、装岩机（侧卸式装岩机、扒斗式装载机、耙斗式装岩机）、转载输送机、锚杆钻机、混凝土喷射机、锚杆（锚索）、锚喷支护施工与量测机具（锚索张力机具、锚杆拉力机等）、锚杆支护施工技术等，已有了完善的产品标准与技术标准。

2.4 钻爆法岩巷掘进机械化作业线主要设备已实现有序管理

对岩巷掘进机械化作业线的主要设备，依据标准实现了安全技术监督管理，非煤矿安全标志产品的凿岩钎具，应煤矿企业采购招标要求，诸多钎具钻具企业委托煤炭工业北京凿岩机具产品质量监督检验中心提供检验报告。钻爆法岩巷掘进机械化作业线主要装备的安全性能与技术性能基本得到保证。

3 进入21世纪，对煤矿岩巷掘进机械化水平进一步提高的探索

（1）2000年以后的一个时期，随着我国对能源需求猛增，我国原煤年产量超过40亿吨，产能限制后的年产量仍在30亿吨以上，岩巷掘进工程的工作量仍然巨大。“十年黄金期”期间，煤矿在良好经济效益支撑下，普遍重视提高岩巷掘进机械化水平问题，力求均衡提高月掘进速度和年度总掘进进尺（而不是片面追求某一个月的“高速”）。钻爆法的“高档”、“普通”两条掘进机械化作业线，成为岩巷掘进机械化施工方案的首选。“高档”掘进机械化作业线更加受到机械化矿井的青睐，在技术装备供应基本保障的条件下，全液压掘进钻车（高档）机械化作业线使用数量剧增，气腿式凿岩机（普通）机械化作业线，也在健康地发展。煤矿使用单位，已把岩巷机械化作业线的技术研究重点放在爆破方法应用、锚喷支护设计与监测、施工组织管理等方面，而基本不再对技术装备进行技术攻关。近一、二十年技术装备的主要变化有：

①全液压掘进钻车适应范围扩大 （适用断面：14～30m2、钻臂数量：双臂或单臂）；

②侧卸式装岩机和扒斗（挖掘）式装载机已成为岩巷掘进机械化首选装岩设备，耙斗式装岩机用量减少；

③锚喷支护技术与装备更加成熟，湿式混凝土喷射机大受青睐；

④液压凿岩与液压装岩一体化的 “钻装机组”，采用“扒斗(挖掘)式”装载机构和凿岩、装岩遥控技术，已成为基本成熟的设备，但实际应用的掘进速度有待提高。

（2）将悬臂式掘进机用于岩巷掘进引起研发、使用单位的兴趣：加大悬臂式掘进机的截割功率、加固机架、强化除尘性能等，力求用于全岩巷道的掘进，其截割功率加大到200 kW以上，最高已达到450kW。经实际试用，在部分岩石抗压强度不高、岩层比较破碎的非全岩巷道取得一定效果，但在全岩巷道不甚理想，遇坚硬岩石时，尚需采用气腿式凿岩机凿孔的爆破破岩，实际月进尺可达200m,但比同类条件采用“全液压钻车作业线”的月掘进速度优势不大。若想在“硬岩”和全岩巷道用悬臂式掘进机替代钻爆法高档机械化作业线，尚有很多工作要做。

（3）全断面岩石掘进机的实际应用取得进展：上世纪90年代以前，,全断面掘进机为试验性使用，进入2000年以后，随着对煤矿掘进机械化的重视和煤矿经济效益的提高，逐渐重视应用全断面掘进机，大同煤矿在2003～2004年成功使用美国罗宾斯全岩掘进机掘进2960m，平均月进493.3 m，最高月进605 m，高于上世纪90年代的国产研制产品的实际试验水平，达到了预期效果。但实践结果证明，全断面掘进机的应用，受一次掘进巷道总长度、围岩完整性、工程重要程度、资金投入等因素影响。国产全断面岩石掘进机的研发也取得新的进展。

4 结束语

经实践证实，目前的煤矿岩石巷道掘进的机械化主要还是钻爆法的岩巷掘进机械化，这与国外煤矿岩巷掘进技术和机械化的发展规律相似。上世纪末所形成的全液压掘进钻车为代表的“高档”作业线和气腿式凿岩机为代表的“普通”作业线，依然是煤矿岩巷掘进机械化主流作业方式。进入新世纪，扩大了“高档”作业线的应用，技术装备与施工工艺又有所提高；人们探讨采用悬臂式掘进机破岩和使用全断面岩石掘进机掘进有所进展，但相当长时期内，钻爆法岩巷掘进机械化的应用和发展仍会是主流。应进一步扩大液压掘进钻车“高档”机械化作业线的应用，并促进“高档”作业线技术装备可靠性、智能化等技术水平的提升。