恒源煤矿采区轨道下山机械化作业线优化及应用

马 力，回新冬，姚强岭

(1.皖北煤电集团，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)

随着我国综采机械化水平和矿井配套设备的快速发展，综采工作面开采水平与效率不断提高，岩巷掘进效率低速度慢，采掘比例严重失衡，造成矿井采掘接替衔接紧张，因此岩巷快速掘进是保证矿井高产稳产的关键[1，2]。岩巷掘进技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全，发展岩巷掘进成套技术装备，提高掘进工艺水平已经成为煤矿可持续健康发展、安全高效集约化生产的重要保障[3，4]。

目前我国岩巷掘进主要采用钻爆法与机掘法，其中绝大部分岩巷采用以气腿式凿岩机、耙斗式装岩机为主的钻爆法施工[5]，岩巷月进尺一般为60m[6]。张召冉等[7]利用解析结构模型将影响岩巷掘进的因子分为表层、中层和深层三个层级，确定影响掘进的关键性因素，并针对淮南矿区岩巷掘进提出了改良措施。李爱军[8]分析影响岩巷的掘进速度的相关因素，提出了四位一体快速掘进技术，并取得较好的应用效果。魏垂胜[9]研究了线性聚能光面爆破技术与原理，提出了减小进尺眼数目、装药量，提高光面的爆破效果。杨占卿[10]提出了“钻锚机+挖装机+带式输送机”连续排矸机械化配套作业线，并在平煤股份一矿三水平下延-950m水平回风大巷取得了较好应用效果。恒源煤矿Ⅱ63采区轨道下山(下段)采用液压掘进台车配套挖掘式装载机快速掘进机械化作业线和中深孔光面爆破等岩巷掘进关键技术，降低工人劳动强度，改善作业施工环境，作业效率显著提升，实现了有效单进4.7m/d。

1 工程地质概况

恒源煤矿Ⅱ63采区轨道下山(下段)位于Ⅱ63采区下部，沿6煤顶板施工，施工范围内煤岩层倾角2°～8°，平均倾角3.3°，局部受构造影响可能达到15°以上。根据附近钻孔资料显示，巷道在施工过程中主要揭露的岩性有：细砂岩、粉砂岩及泥岩，其中泥岩所占比例较大，预计达60%以上。泥岩为灰～深灰色，薄层状，含大量植物化石，其上部常常发育1～2条薄煤线；细砂岩为浅灰色，中厚层状，裂隙十分发育，方解石脉充填其间；粉砂岩为灰色、块状，较致密，少量云母片和植物化石碎片。Ⅱ63采区轨道下山(下段)巷道最大涌水量为6.8m3/h。

Ⅱ63采区轨道下山(下段)东部平行布置Ⅱ63采区回风下山及Ⅱ63采区运输下山，西部尚未布置采掘工程，南部为已布置两个工作面的Ⅱ63采区上部，北部为三水平主暗斜井，主要满足Ⅱ63采区工作面准备和回采期间运料、出矸、通风、排水及管线铺设的要求。巷道设计标高在-720.241～-754.484m，以GXZ点前14808mm为巷中，按方位N253°、坡度3‰上山拨门开始施工，与Ⅱ63采区回风下山贯通，Ⅱ63采区轨道下山(下段)剖面图如图1所示。

图1 Ⅱ63采区轨道下山(下段)剖面图

2 岩巷掘进影响因素分析

2.1 原有配套设备及作业线

Ⅱ63采区轨道下山(下段)初始采用YT-28型气腿式风动凿岩机打进尺眼，炮眼深度为2m，装药连线放炮，采用P-60B型耙矸机装岩，DSJ100/63/2×75带式输送机运输、地仓存储、配合矿车出矸，掘进后及时进行锚网喷支护。采用“三八”制作业方式，每班循环进尺1.6m，每日2个循环。Ⅱ63采区轨道下山(下段)初始作业线设备布置如图2所示。

1—YT-28型气腿式风动凿岩机；2—矸石；3—P-60B型耙矸机；4—DSJ100/63/2×75带式输送机；5—地仓；6—矿车；7—电机车图2 Ⅱ63采区轨道下山(下段)初始作业线设备布置图

2.2 掘进影响因素分析

岩巷掘进主要包括“破、装、运、支”等工序，工序之间的衔接性、地质条件、设备的机械化程度、组织管理形式、工人素质水平等多种因素决定巷道掘进速度。原有作业线月进尺见表1，该作业线每日单进3.0m，作业进尺缓慢，施工效率低，巷道成型效果差，严重制约岩巷掘进效率，通过恒源煤矿Ⅱ63采区轨道下山(下段)掘进现状以及跟班检测分析表明，制约岩巷掘进速度提高的主要因素有以下几个方面：

表1 原有作业线月进尺情况

1)设备机械化水平低。Ⅱ63采区轨道下山(下段)采用传统的风动凿岩机配套耙矸机作业线，以传统站立手持式施工炮眼，炮眼成型效果差，并且工人劳动强度高，装运矸石工作效率低，需要人工配合清理矸石，巷道底板规整程度差，作业线工人劳动强度大，作业温度高，工作面煤尘多，作业环境差。

2)部分工序作业耗时长。风动凿岩机炮眼钻孔施工速度0.3～0.6m/min，单个炮眼作业时间平均为8min，全断面74个炮眼(炮眼深度2m)作业时间大约为220～230min，约占整个作业循环时间的50%～60%；P-60B型耙矸机装载能力60～80m3/h，出货时间为180～200min，约占整个作业循环时间的40%～50%。

3)地质条件。Ⅱ63轨道下山(下段)施工中遇到的地质构造主要为断层构造和层滑构造；可能遇到的断层分别为EF99(产状：EF99∠45～50°H=0～5m)、FⅡ63-8(产状：FⅡ63-8∠30°H=6m)断层，从断层规模看，落差都在10m以下，对巷道施工会带来一定的影响，巷道施工中遇到层滑构造发育处，岩层稳定性往往变差，造成不易支护，给生产带来一定困难。

4)人员素质。施工作业人员有59%为初中及以下学历，33%为专科学历，仅1%为大专学历，施工作业人员学历绝大多数为初中学历，文化水平普遍偏低；30～40岁的员工占到了45%，40岁以上的员工占到了7%，而20～30岁的年轻一代员工只有8%，从中可以看出员工新生力量较少，在对新设备的适应上员工可能会比较吃力，即适应期比较长，接受能力较差，现场管理不到位，自主学习能力弱；对新技术、新工艺、新设备的熟悉程度低；施工技术不娴熟、人机配合不协调，导致各项工序施工时间长。

3 岩巷快速掘进技术

3.1 设备配套及机械化作业线

3.1.1 设备选型

根据Ⅱ63轨道下山(下段)工程地质条件以及生产现状，同时对岩巷掘进相机械进行参数比较，液压台车配套挖装机的岩巷快速掘进机械化作业线主要适用于巷道断面3m×2.8m以上的巷道，岩石硬度较大，坡度较缓的上下山或平巷，巷道坡度不大于12°，爆破后块度小于等于400mm，松散密度不大于1.8t/m3，巷道环境为-5～+40℃，最大相对湿度小于等于90%(温度为25℃时)，巷道长度不大于2km的巷道。尝试性采用CMJ2-18型液压掘进台车取代YT-28型气腿式风动岩机打进尺眼，采用ZWY-150/55L型挖掘式装载机取代传统的P-60B型耙矸机，与CMJ2-18型液压掘进台车形成钻装运一体化快速掘进机械化作业线。

掘进工作面配套设备主要包括通风工具、运输设备、装岩设备以及液压系统等，主要为一台CMJ2-18型液压掘进台车、一台ZWY-150/55L型挖掘式装载机、一部DSJ2×75型带式输送机、一部P-60B耙矸机、2台FBD№5/2×15局部通风机、4台MQT-130锚杆钻机、8根DW25-70/63X(A)悬浮单体等。

3.1.2 机械化作业线

采用钻爆法施工，采用CMJ2-18型液压掘进台车打进尺眼，眼深3.0m，人工装药连线一次起爆，采用ZWY-150/55L型挖掘式装载机进行装运矸石，配合DSJ2×75型带式输送机进行连续运输，地仓临时储存，实现钻眼、装岩、运输一体化作业线，机械化作业线如图3所示。施工工艺流程：交接班→安全检查及确认→观测中、腰线→画迎头轮廓线、点炮眼眼位→凿岩台车施工全断面炮眼→敲帮问顶找净活矸、危岩→凿岩台车钻臂铺设钢筋网作为防护措施→迎头吹眼→装药、连线、放炮→安全检查及确认→敲帮问顶→验炮→初喷→复喷(退后6m)→临时支护(先挂网)→出矸→点锚杆眼位→打锚杆眼→安装锚杆→锚杆紧固。

1—CMJ2-18型液压掘进台车；2—ZWY-150/55L型挖掘式装载机；3—DSJ2×75型带式输送机；4—地仓；5—P-60B型耙矸机；6—矿车图3 Ⅱ63轨道下山(下段)机械化作业线

施工人员进入工作面首先进行安全检查，检查加固支护，退出挖装机，进凿岩台车并且对迎头进行点眼，然后采用凿岩台车进行打眼，打眼顺序为周边眼→底眼→辅助眼→掏槽眼，按照“由外至内，由上至下”的原则进行打眼，人工进行装药连线，然后将凿岩台车退至放炮安全距离以外，全断面一次爆破，安全检查洒水通风，敲帮问顶检验爆破效果，找顶应从有完好支护地点开始，按“先顶后帮、由近到远、先大后小”的原则作业，临时支护采用初喷配合带帽点柱。临时支护结束后迎头施工人员全部撤出，进挖装机，使浅部刮板输送机装满矸石，然后不断运挖斗将矸石耙至输送机，通过输送机运至胶带，实现了矸石连续快速运输，动力电缆采用人工托运的方式进行作业。工作面矸石清理完后，退出挖装机，按照由外至内，由顶至帮的原则施工锚杆、锚索，直至完成工作面迎头支护工作然后进行下一循环。

3.2 中深孔光面爆破技术

岩巷钻爆法快速掘进技术的有效实施可以通过运用中深孔爆破增加循环进尺、相关的定向爆破断裂技术控制巷道成型，根据钻眼爆破与中深孔爆破理论为基础，通过增加炮孔深度，优化装药量及起爆顺序提高巷道单进循环进尺，提高施工效率[11-13]。CMJ2-18型液压掘进台车，炮眼施工速度快炮眼深度大，施工质量好，能很大程度上满足为中深孔爆破技术的实现提供了保障。使用PT473为水胶炸药，毫秒延期电雷管(前5段)，串并联联线，正向装药起爆全断面一次爆破，通过对地质条件以及多次调结爆破参数，炮眼深度为2.8m(掏槽眼3.0m)，爆破时的炮眼利用率为80%，取得了良好的爆破效果，每循环进尺2.7m。炮眼布置如图4所示，炮眼装药量及起爆顺序见表2。

图4 Ⅱ63采区轨道下山炮眼布置图(mm)

表2 炮眼装药量及起爆顺序

4 掘进工艺应用性分析

Ⅱ63采区轨道下山(下段)采用CMJ2-18型液压掘进台车配套ZWY-150/55L型挖掘式装载机快速掘进机械化作业线[14，15]，在“掘、支、运”三大工序中深孔爆破、合理化支护、机械化装运及其之间优化配置，改善了各工序间衔接紧张或不合理接续导致低效的组织管理，其主要优势如下：

1)单进水平。进尺速度大幅增长，设备存在一定的适用期，2018年11月开始至2019年2月，快速掘进作业线月进尺见表3，随着适用性的增加有效单进由2.5m/d逐步增加至4.7m/d，初始的凿岩机配套耙矸机作业线平均有效单进只有3.0m/d，较大幅度提高了劳动效率和单进水平。

2)打眼。施工速度快，掘进工效高，初始迎头采用两部风动岩机打炮眼，工人5人，平均每人每小时施工4个炮眼，液压掘进台车仅需两人操作且为双臂作业，作业工效增加为每人每小时19个炮眼，作业工效提升4～5倍，见表4。

表3 快速掘进作业线月进尺

CMJ2-18型液压掘进台车主要优势为：①施工速度快，采用双臂工作，施工速度快，液压传感系统先进，炮孔成型效果较好；②劳动强度低，设备操作仅需两人即可，节省人力资源，并且取代原有工人双持站立式搬运工作模式有了极大的改善；③操作灵活方便，设备机型较小，能实现全断面打眼，作业稳定，工作面煤尘少与噪音低，零部件拆装简单，方便井口提升。

表4 炮眼施工效率

3)装岩。ZWY-150/55L型挖掘式装载机是一种连续装载高效率挖装机，装载能力为150m3/h，挖掘宽度5.8m，相对于传统P-60B型耙矸机，作业人数由原来的5人减少为3人，而工效由3.96 m3/(工·h)提升为8.48m3/(工·h)，作业效率大幅提升，见表5。可见，ZWY-150/55L型挖掘式装载机作业灵活，实现全断面装岩，不留死角，无需人工辅助清底装岩，工作平稳无冲压，设计先进工作可靠，液压传感系统先进，操作简单方便，维修方便，且工作面迎头煤尘低，极大改善工作面作业施工环境。

表5 装矸施工效率情况

4)作业安全可靠，工人劳动强度低；挖装机与液压掘进台车操作简单，仅需1～2人即可操作，节省人力资源，并且从根本上缓解传统的繁重体力劳动，并且远离迎头临时支护区域，防止片帮冒顶等安全事故的发生，极大程度上保证生产安全；作业环境有了极大的改善，工作噪音低，采用湿式打眼，工作面煤尘较少，液压掘进台车与挖掘式装载机配套机械化作业线，实现了全断面一次打眼、装岩，实现破装运连续高效一体化作业，作业工效由0.135m/工增加为0.163m/工。

5 结 论

1)使用液压台车配套挖装机快速掘进机械化作业线施工速度快，作业工效大幅提升，劳动强度与施工作业环境有了极大地改善，但该作业线工序衔接性较差，打炮眼与装岩效率仍有待提高。

2)液压台车配套挖装机快速掘进机械化作业线完全可以满足矿井企业安全高效快速掘进发展要求，缓解恒源煤矿采掘比例失衡与采掘衔接问题，为岩巷机械化作业线的优化与改进以及现场劳动组织情况的管理提供了一定的依据与借鉴。