18503煤巷掘进快速施工方案优化

2019-07-30白剑军

山东煤炭科技 2019年7期

白剑军

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

本文以斜沟煤矿18503工作面为研究对象，以巷道掘进施工时间最小化为原则，提出多种施工工序交叉平行作业的施工方法，对掘进施工工艺进行优化，对掘进设备进行改进，以加快成巷效率，降低作业成本。

1 工程概况

斜沟煤矿18503工作面位于店上村西北角北侧，横穿柳树沟村，位于杨家沟南侧，地面标高950～1208m，工作面标高750～944m，工作面走向长度7194m，倾斜长度294.6m。煤层平均厚度3.76m，煤层倾角9.7°，煤层为8#煤，表观呈块状或条带状，半暗淡型。煤层中含2层泥岩夹矸，其中煤层上层夹矸较稳定，厚0.05～0.30m，下层夹矸厚0.10～0.30m，局部尖灭。18503工作面直接顶为泥岩，平均厚度1.88m，呈灰色或灰黑色，性脆易碎，可见植物化石，局部相变为炭质泥岩；基本顶为中粗粒砂岩，呈灰白色，平均厚度13.90m，成分以石英为主，泥质胶结；直接底为泥岩，平均厚度1.42m，呈灰色或灰黑色，含植物根、茎化石，有时含砂质或泥质；基本底为细中粗粒砂岩，呈灰白色，平均厚度10.17m，成分以石英、长石为主。工作面巷道断面为矩形，巷道宽5.0m，高3.9m，支护参数如图1所示。由于18503工作面在巷道掘进过程中片面强调了巷道支护安全，锚杆支护密度较大，造成了掘进效率低，时间成本急剧增高。本文以掘进工作面作业时间最小化为原则，采用多种施工工序交叉平行作业的方法对掘进施工工艺进行优化，以提高成巷速度，降低时间成本。

2 原支护工艺分析

2.1 支护工艺用时实测

锚杆、锚索的安装是在巷道支护中所需时间最长的工序，现场实测了顶板锚杆、帮部低位锚杆、帮部肩窝锚杆及顶板锚索的安装时间如表1所示。

施工现场采用两台气动式锚杆钻机同时启动，对顶板锚杆进行钻孔施工。在顶板锚杆施工结束后，采用一台气动式帮锚杆钻机和一台支腿式凿岩机，对掘进工作面帮部肩窝锚杆、帮部低位锚杆进行施工，最后安装顶板锚索，每个进尺安装两排锚杆。施工流程如图2（a）所示，临时支护施工流程图如图2（b）所示。

图1 巷道支护参数示意图

表1 锚杆、锚索安装时间

图2 施工流程示意图

2.2 制约支护速度因素分析

设备影响因素：由表1可以看出，受到气动式锚杆钻机自身性能的限制，锚杆、索钻孔消耗时间最长，这是影响成巷效率最为关键的因素。

工艺影响因素：从图2（b）可以看出，临时支护总共分为三个步骤，太过于繁琐，对巷道掘进速率也有很大影响。除此之外，锚索钻孔在锚杆安装之后，由于锚索钻孔时间较长，因此对掘进速率也有很大影响。

3 支护工艺优化

3.1 支护设备优化

减少钻孔时间是提高巷道掘进速率最为有效的方法。淘汰现有的气动式锚杆钻机，将其更换为基于EBZ220升级改造的液压掘、护、锚一体机，其主要技术参数为：

（1）将现有掘进机的截割部替换为具有锚、护装置的截割部，该设备的锚、护装置具有可折叠性，相比于原有掘进机，该掘进机的整体长度并没有增加，如图3所示。

（2）伸缩主臂位于截割部的上方，固定支点位于截割部的两侧，端部与倒U形护架通过铰链连接；伸缩主臂与锚杆钻机之间用翻转油缸连接，以实现锚杆钻机的翻转。

（3）倒U形护架可实现两帮、顶板防护的动作，也可以安装临时支护装置，代替原有的人工前探梁临时支护装置，临时支护装置长度可达2.0～5.0m，两帮护帮高度2.0m，宽度为1.0m。

（4）倒U形架体左右两侧均设有横移臂，横移臂与油缸相连，并在横移油缸的作用下可以实现锚杆钻机的左右移动，移动范围大约为1.4～2.8m。除此之外，在横移臂上安装有旋转油缸用来实现锚杆钻机的旋转，旋转角度约120°。

（5）为了提高钻孔效率及成孔质量，锚杆钻机配备大功率扭矩马达，锚杆钻机最大扭矩可达300N·m，最大推进力约为25kN，最大转速500r/min。

（6）液压掘、护、锚一体机可用于矩形、梯形和拱形等多种类型的巷道断面，掘进宽度范围可达3.5～5.0m，高度可达2.4～4m。

图3 掘、护、锚一体机结构示意图

3.2 支护工艺优化

（1）临时支护工艺优化

在截割部完成割煤、出煤后，改进的掘、护、锚一体机可以实现同时搭接顶板、帮部金属网，并将顶板、帮部临时支护装置伸出，取代原先临时支护过程，进行顶板、帮部临时支护。

（2）永久支护工艺优化

① 锚杆支护工艺优化

掘、护、锚一体机可实现同时安装顶板第一排第1根、第4根锚杆，安装完成后，向右移动掘、护、锚一体机端部安装第2根、第5根，安装完成后继续向右移动一体机端部安装第3根、第6根锚杆，施工顺序如图4（a）所示。顶锚杆施工完成后，同时施工两帮最上部两根倾斜锚杆，然后施工两根水平锚杆，优化后掘进班锚杆安装示意图如图4（b）所示。为提高掘进效率，剩余锚杆将留给检修班负责补齐。第一排锚杆安装完成后，向前推进掘、护、锚一体机重复第一排锚杆的施工及安装工序，安装第二排所有锚杆。

图4 锚杆施工作业及安装示意图

② 锚索支护工艺优化

由于锚索的刚度较大而延伸率较低，在原有的支护工艺中，锚杆、索基本同时安装，造成锚杆、锚索同时进行变形，不能充分发挥锚索强度大的作用，造成锚索过早破断，失去承载能力。基于掘进工作面的地质条件，巷道顶板以中粗粒砂岩为主，比较坚硬，在锚杆安装后，短时间内不会发生锚固失效现象。为充分发挥锚杆、锚索之间的变形协调支护作用，将锚索安装作业放置在检修班进行，具体施工流程如图5所示。

图5 巷道支护施工流程图

（3）多工序交叉平行作业

为了能尽可能多的提高巷道掘进速率，施工工序应在不影响主要工序的前提下，实现交叉平行作业。在掘进机割煤时，运料工应将锚杆、托盘等支护所用的材料运至作业面附近安全区域，为巷道支护做准备。在掘进机完成掘进后，施工人员开始锚杆支护作业，此时，掘进机司机开始对掘进机进行检查维护，保证掘进机接下来的正常作业，也能减少检修班的工作量提高检修效率。当检修班对机电设备进行检查维护时，施工员开始安装锚索，延长风管、水管等作业。