祁东煤矿下山岩巷新型作业线适用性研究

马 力，李立华，姚强岭

(1.皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤炭在我国能源消费中一直占据着重要地位，近年来，随着我国国民经济的快速发展，对能源特别是煤炭的需求也在不断增长，然而我国煤矿在生产中常因岩巷掘进困难导致采掘比例严重失调，造成矿井采掘接替衔接紧张，因此，提高岩巷的掘进效率成了重中之重[1-3]。目前我国岩巷掘进施工速度和机械化水平比较落后，与20世纪80年代相比，岩巷施工技术和机械化水平变化不大，以钻爆法为主[4-5]，绝大多数岩巷施工仍采用安全条件差、劳动强度大的气腿式凿岩机钻眼、耙斗式装岩机出矸[6-7]，使得岩巷掘进月单进水平一直处于较低水平。

岩巷掘进机械化是实现岩巷快速掘进的有效途径之一[8-10]，煤矿岩巷中以平巷为主，其次是下山，下山多集中在采区，是采煤的必经通道，因此，提高下山巷道掘进速度对保证采区的正常接续具有重要意义[11]。岩巷的下山掘进相比于平巷掘进施工扒矸和打眼放炮更困难，而且还存在装矸电绞提升能力受限制等问题。祁东煤矿Ⅱ三采区轨道下山属于下山掘进，采用传统的施工工艺掘进时月进尺只有40～50 m，不能满足矿井采掘接续需要，通过优化生产组织管理及施工技术水平、引进设备、改造机具实现能力综合配套，进尺水平大幅提高，月单进水平达到80 m左右。

1 工程地质概况

祁东煤矿井田东西长9 km，南北宽3.5～5 km，面积约35.427 5 km2。矿井根据煤层埋深及地质构造划分为两个水平，第一水平标高为-600 m，第二水平标高-800 m，主采煤层为32煤层、61煤层、71煤层、82煤层、9煤层，平均总厚度9.12 m，占可采煤层总厚度的56%。Ⅱ三采区轨道下山拨门巷道处于71煤层底板82煤层顶板层位，巷顶距71煤层法距约23 m，巷底距82煤层约5 m，71煤层距72煤层法距约1.1～2.5 m，72煤层在本区域与71煤层合并分叉区，81煤层距82煤层法距10 m，81煤层在该区域赋存不稳定，大部分沉缺。巷道设计长度1 230 m，断面形状为三心拱形，起止标高为-577.9～-800.0 m，坡度变化较大，最大达到-18°，巷道净高3.8 m，净宽4.8 m，采用锚网喷支护。其中，巷道揭露主要岩性为细砂岩，浅灰色～浅灰白色，石英为主，次为长石，云母碎片，次园状分选中等，硅质胶结，夹有深灰色不规则泥质包体，厚约24 m，自然状态抗压强度平均为1 230 kg/cm2，变异范围879～1 410 kg/cm2。局部为泥岩，灰色，浅灰色夹灰白色，泥岩薄层夹薄层细条带状砂岩，岩性坚硬，断口平整，形成水平层理。Ⅱ三采区轨道下山巷道剖面图见图1。

图1 Ⅱ三采区轨道下山巷道剖面图

2 影响Ⅱ三采区轨道下山原有施工工艺的因素分析

祁东煤矿Ⅱ三采区轨道下山原有施工工艺为气腿式凿岩机配合耙斗式装岩机炮掘作业线。2018年12月，对其掘进技术及施工装备进行现场调研和为期三天的跟班实测,总结了巷道作业人员、设备及时间三者之间的匹配关系，并结合掘进施工各个工序现场实测结果，分析了影响Ⅱ三采区轨道下山传统掘进工艺效率的相关因素。

2.1 钻眼工序

在跟班期间，对7655型气腿式凿岩机施工进尺眼时间进行了统计，进尺眼深1.8 m，选取其中10个进尺眼施工时间，绘制出簇状柱形图进行分析比较，见图2。由图2可知，使用7655型气腿式凿岩机施工Ⅱ三采区轨道下山进尺眼时，单个进尺眼的施工耗时为7～10 min，施工一个进尺眼平均耗时约为8 min，Ⅱ三采区轨道下山掘进断面需要施工76个进尺眼，合计耗时约9 h，约占一个圆班的1/3，耗时很长，通过分析得出采用7655型气腿式凿岩机施工进尺眼占时较长的原因如下。

1) 7655型气腿式凿岩机冲击能和扭矩较小，在钻凿3 m的炮眼时，速度仅为钻凿0.5 m炮眼的30%，随着炮眼深度的增加，气腿式凿岩机的施工效率也随之降低。

2) 气腿式凿岩机施工下部进尺眼时，凿岩机的的位置摆放比较困难，且气缸伸缩与施工进位方向不好把控，速度有所降低。

3) 气腿式凿岩机施工进尺眼时，不仅噪音大，而且空气湿润，施工人员长期处于恶劣的工作环境中，对身心健康的影响较大，劳动积极性大打折扣。

4) 由于巷道断面较大，在施工进尺眼时需要将断面分为上下部进行，进而出现一次进尺眼的施工,需要进行两次施工设备的搬运及检修，不仅增加了工人劳动强度，而且减弱了工人的劳动积极性。

2.2 出矸工序

祁东煤矿Ⅱ三采区轨道下山掘进工作面原先采用P-90B型耙矸机进行出矸作业，据统计，在跟班期间，工作面共进行出矸作业3次，分别耗时473 min、489 min和465 min，每次耗时均达到一个圆班的1/3左右，占据了掘进循环的大量时间，通过分析得出采用耙矸机出矸占时较长的原因如下。

1) 由于巷道断面较大，且耙矸机不能独立行走，为确保全断面出矸，在出矸时需要进行耙矸机移位，会耗费大量的时间，严重影响巷道的掘进速度。而且钢丝绳极易磨损，耙矸机装岩不彻底，清底交窑困难。

2) 耙矸机进行出矸作业时，需要迎头打橛子眼、安装软硬橛、挂滑轮、拽钢丝绳，耗费一定的时间。

3) 耙装机进行出矸作业时，会出现钢丝绳断丝、断股、脱轮、弹绳等诸多危险情况，修复设备耗费大量时间的同时，也给现场施工人员的安全带来隐患。

2.3 人员素质

通过对工作面作业人员进行问卷调查，作业人员趋于中老年化，且文化水平普遍较低，详细统计见图3和图4，分析发现两者对巷道掘进施工速度也存在一定的影响。

1) Ⅱ三采区轨道下山作业人员64%为初中及以下学历，文化水平普遍偏低，当井下施工设备出现问题时，作业人员自主修复能力较差，使得设备修复耗时较长，占据一定的掘进循环时间。

2) 通过现场跟班及数据统计分析得出，年轻员工的作业积极性普遍高于老员工，而Ⅱ三采区轨道下山作业人员中，30岁以下的年轻员工数量不到大于40岁老员工数量的1/10，员工整体作业积极性较差，对巷道掘进速度存在一定的影响。

图3 员工文化水平分布图

图4 员工年龄构成分布图

2.4 组织管理

在岩巷掘进施工过程中，若没有良好的劳动组织管理，巷道的掘进效率将会受到很大的影响，通过跟班调研发现Ⅱ三采区轨道下山在施工过程常存在以下组织管理问题。

1) 班组配合不默契。Ⅱ三采区轨道下山采用“三八制”作业方式组织施工，经常出现班组交接班断连(联)，工作面交接班期间长时间无人作业，浪费掘进循环的大量时间。

2) 工序衔接不合理。作业人员通常集中于同一工序施工，工序之间平行作业较少，造成工序之间衔接性较差，间接影响了巷道进尺速度与质量。

3 实现巷道快速掘进技术措施

3.1 引进新设备，构建巷道快速掘进机械化作业线

1) 快速掘进机械化作业线。为提高巷道掘进施工效率，保证矿井生产接续，在总结分析影响原有施工工艺的因素后，2019年2月，祁东煤矿Ⅱ三采区轨道下山引进CMJ2-18履带式双臂凿岩台车(主要技术参数见表1)施工进尺眼、ZWY-150/55挖掘式装载机(主要技术参数见表2)进行出矸作业，配合DSJ-80型胶带输送机进行运输，激光指向仪定向，单轨吊机车辅助运料。快速掘进机械化作业线如图5所示。

表1 CMJ2-18型液压凿岩台车主要技术参数

表2 ZWY-150/55L型挖掘式装载机主要技术参数

2) 新设备优势。①CMJ2-18履带式双臂凿岩台车的最大扭矩及冲击能分别为260 N·m、200 J，能够很好地克服气腿式凿岩机冲击能和扭矩不足的缺点，进尺眼的施工深度达到3.2 m，循环进度由原有的1.6 m提升到了2.8 m；②ZWY-150/55挖掘式装载机灵活性很好，扒取范围能够延伸至巷道全断面，可进行连续出矸作业，取消了迎头打橛子眼和安装软硬橛，挂滑轮，拽钢丝绳操作工序，不仅降低了人工的劳动强度，而且大大减少了出矸时间。

3.2 提升员工素质

根据祁东煤矿提供资料以及实际统计汇总，Ⅱ三采区轨道下山作业人员文化水平普遍偏低，使得他们对设备的接受程度不高，进而导致生产效率低。由此，祁东煤矿在引进新设备的同时，对队组作业人员进行为期30天的现场施工培训交流，后期进行作业人员试运行，挑选出业务能力强、操作水平高的员工，实行“一帮一带”制度，且定期进行现场测评，以此提升作业人员对设备的操作水平，提高生产效率。

3.3 加强组织管理

组织管理是巷道实现快速掘进的重要因素，巷道要实现安全高效施工，除了需要高效的施工技术装备、合适的施工工艺和较高的人员素质外，还需要良好的劳动组织管理。

1) 针对班组配合不默契的问题，实行“四六滚班制”，班组交接在井下作业面进行，对施工进程及设备损耗实时掌控，以提高班组交接班的连续性。

2) 针对工序衔接不合理的问题，改变工人施工作业方式，推广多工序平行交叉作业，实行综合掘进队模式，由队长统一指挥，各工种既有明确分工又要密切协作。

3) 建立完善的奖惩制度，以日进尺2.8 m为基准，制定相应的质量验收标准，验收合格奖励1 000分，超出部分按双倍予以奖励，以此类推，按质按量进行奖励，若班组连续30天均完成基础任务，额外给予6 000分奖励，若出现施工不合格的情况给予同等分值的处罚。

4 应用效果

4.1 钻眼效率

Ⅱ三采区轨道下山施工进尺眼设备，由原有的气腿式凿岩机转变为CMJ2-18履带式双臂凿岩台车，炮眼施工深度由原来的1.8 m提升到了3.2 m，掘进效率明显提升，优越性突出，钻眼工艺优化前后效率对比见表3。

表3 钻眼工艺优化前后效率对比

由表3可知，CMJ2-18履带式双臂凿岩台车相比于7655型气腿式凿岩机，存在以下优点。

1) 在炮眼施工深度大幅度提升的同时，施工时间由原有的7～8 h减少到2.5～3 h，是原有施工工艺的2.5倍，效率得到大幅度提升。

2) 7655型气腿式凿岩机冲击能和扭矩较小，在钻凿3 m炮眼时，速度仅为钻凿0.5 m时的30%，随着炮眼深度的增加，凿岩机施工效率随之降低，为达到较高进尺效率，炮眼适宜施工深度为1.8 m；CMJ2-18履带式双臂凿岩台车的最大扭矩为260 N·m，最大冲击能为200 J，很好地克服了7655型气腿式凿岩机在这方面的缺点，施工炮眼深度提升到3.2 m，效率得到大幅度提升。

3) 凿岩台车的使用大大减少了工作面作业人员数量，由原来的6～8人减少到2人，且作业人员与施工面距离由原有的0.5 m提升到8 m，视线更加开阔，利于观察围岩变化，同时加上操作平台上安全顶棚的保护，有效保障了作业人员的安全。

4) 双臂凿岩台车凿岩系统由电力驱动，并采用了闭式油路系统，避免了风动凿岩机的排气噪音，且没有风钻排出的湿雾状废气，工作面灰尘小，气体和噪音污染小，改善了作业环境，施工人员作业积极性进一步提升。

5) 采用气腿式凿岩机施工进尺眼时巷道断面需要上下部分次施工，设备的搬运及检修均需进行两次，会耗费大量时间，改用凿岩台车后，全断面进尺眼一次施工完成，设备后撤自行完成，且耗时只有原施工工艺的1/5。

4.2 出矸效率

Ⅱ三采区轨道下山原有掘进施工工艺采用耙斗式装载机出矸，引进新设备后采用ZWY-150/55挖掘式装载机进行出矸作业，出矸效率得到明显提升，优越性突出，出矸工艺优化前后效率详细对比见表4。

表4 出矸工艺优化前后效率对比

由表4可知，ZWY-150/55挖掘式装载机相比于耙斗式装载机存在以下优点。

1) 挖装机可自行移动装矸，而且取消了迎头打橛子眼和安装软硬橛、挂滑轮、拽钢丝绳等操作工序，大大缩短了出矸时间，由原来的7～8 h减少到4～5 h，速度翻倍增长。

2) 出矸作业人数由原来的3人减少到1人，缓解了祁东煤矿一线员工流失严重这一问题。

3) 挖装机作业灵活性更好，扒取范围能够延伸至巷道全断面，巷道可实行一次出矸、不留底砟，底部矸石不再需要人工二次翻矸，减少了工人的劳动强度，改善了作业环境，工人作业积极性得到显著提高。

4) 采用耙矸机进行出矸作业时，会出现钢丝绳断丝、断股、脱轮、弹绳等诸多危险情况，在修复设备耗费大量时间的同时，也给现场施工人员的安全带来隐患。采用挖装机进行出矸作业后，不仅避免了这些诸多危险情况的发生，而且施工人员处于驾驶室内部，劳动强度较低，受粉尘影响较小，劳动积极性更高。

4.3 月进尺

通过对Ⅱ三采区轨道下山进行为期8个月的跟踪调研，得到实行快掘技术措施前后月进尺变化情况，未实行前月进尺均为40～50 m，实行后的第一个月为技术熟练的厂家委派队伍现场进行示范作业，月进尺达到了91 m，而矿山作业人员第一次使用新设备时，月进尺也达到了近几个月以来的最大值，随着作业人员对新设备的操作水平的提升，巷道掘进速度稳步上升，月进尺呈现快速增长的趋势。工艺优化前后月进尺的详细情况见图6。

图6 Ⅱ三采区轨道下山月进尺

4.4 存在的问题

Ⅱ三采区轨道下山对原有施工工艺进行优化后，巷道的月进尺稳步上升的同时实际操作中也存在一些问题。

1) CMJ2-18履带式双臂凿岩台车和ZWY-150/55挖掘式装载机的水(油)管没有收置装置，散落在地上，施工作业时，常被凸起的石块牵扯，需要人为进行干预，影响施工效率。

2) Ⅱ三采区轨道下山的最大坡度为18°，虽然ZWY-150/55挖掘式装载机的设计最大爬坡能力达到了25°，但由于巷道底板比较湿润，经常出现挖装机履带打滑、无法后退的情况，需不断调整机身角度寻找适宜的后退路线，对巷道的整体掘进速度有一定的影响。

3) 采用ZWY-150/55挖掘式装载机进行装矸作业时，时常会出现矸石块度较大挖装机附属链板机无法运输的情况，此时需人为进行二次破碎，会耗费一定的时间。

5 结 论

1) 通过对Ⅱ三采区轨道下山的前期调研和现场实测，对原有的气腿式凿岩机配合耙斗式装岩机作业线进行了研究分析，得出影响其施工效率的主要因素有气腿式凿岩机破岩效率低、耙矸机出矸效率低、人员素质较低和组织管理不成体系等。

2) Ⅱ三采区轨道下山通过优化生产组织管理及施工技术水平、引进设备、改造机具实现能力综合配套，月单进水平由原有的40～50 m提升到80 m左右，且减小了工人的劳动强度，改善了作业环境，工人作业积极性显著提高。

3) Ⅱ三采区轨道下山优化施工工艺后，月进尺稳步上升，不过在实际操作中也存在一些问题，凿岩台车和挖装机的水(油)管没有收置装置，作业时常被凸起的石块牵扯，需要人为干预才能继续施工；挖装机在使用过程中常出现回退打滑和装矸工序不连续，对巷道的整体掘进速度均存在一定的影响，在后续的作业中实施相应的改进措施后，巷道掘进速率将会得到进一步提升。