新窑煤矿岩巷掘进装备的应用分析

张健， 苗向民， 李娇龙

(华亭煤业集团 新窑煤矿有限责任公司， 甘肃 平凉 744100)

0 引言

新窑煤矿位于甘肃省崇信县新窑镇，隶属于华亭煤业集团有限责任公司。矿井一直存在岩巷掘进效率低、现场作业环境差、人员劳动强度高等突出问题。岩巷掘进过程中破岩、支护及矸石的装运等环节，一直是矿井的重点研究对象[1]。从钻爆法炮掘到综合机械化掘进，从凿岩机、凿岩钻车、挖掘式装载机、侧卸式装岩机到钻装机、钻装锚机组等装备，新窑煤矿一直致力于矿井岩巷掘进装备的应用探索。要达到巷道的快速高效施工，就必须要使施工过程中每个环节都能够用时最少、紧密衔接、合理配置，从而最大限度地提高巷道单进水平和劳动效率、改善作业环境、提高工程质量、降低生产成本。因此，对岩巷快速掘进技术在新窑煤矿的适应性分析研究显得至关重要。

1 地质条件

近几年，新窑煤矿岩巷掘进巷道主要布置在煤5层底板岩石中，影响岩巷掘进的最主要因素就是围岩参数和水。煤5层底板围岩主要为砂质泥岩，浅灰色，砂泥质结构，滑面发育，含少量白云母碎片，夹细粒砂岩薄层，含少量植物茎部化石，平均厚度为9.5 m；围岩岩体质量指标值在0.071 0～0.195 9之间，属岩体质量差～中等的Ⅳ-Ⅲ类岩体；饱和单轴抗压强度在2.39～15.60 MPa之间，属极软-较软岩类;软化系数平均值为0.24，属耐风化耐水浸能力差的软化岩石。巷道在掘进中主要水源为煤5层底板渗水及生产用水，涌水量为0.5～2.0 m3/h。水文地质简单，周围无采动影响，周围无老空水，无导水构造，掘进范围无地质钻孔，无钻孔水。

2 综合机械化掘进

新窑煤矿800轨道运输岩巷主要采用综合机械化掘进工艺，配置EBZ260C型悬臂式岩巷掘进机+DZQ80/35/15型皮带转载机+MGC1.1-6型固定箱式矿车进行矸石转运。因为没有形成完善的排矸系统，所以造成岩石切割时间较长，机掘出矸作业时间平均为150 min，出矸效率较低，每循环作业时间在6 h左右，每循环掘进0.8 m，每天掘进4个循环共3.2 m。

综合机械化掘进工艺具有较高的自动化水平[2]，也是现阶段掘进速度较快的一种方法。但由于受岩石硬度、现场粉尘防治等因素制约，该工艺未能取得较为广泛的应用,主要表现在：

1) 破岩石时岩尘大，虽然现场采用了1套KCS-310型湿式除尘风机，但除尘效果仍不理想；

2) 在掘进机掘进过程中喷雾孔易堵塞，喷雾降尘效果差；

3) 掘进时工作面积水不能及时排出，加上围岩耐水浸能力差，会产生大量淤泥，易使掘进机陷入底板，行走困难；

4) 掘进时岩尘、水雾交叉，影响掘进机司机的视线，现场操作难度大，存在安全风险；

5) 掘进机长时间运行，造成油温过高，产生抖动，且容易发生卡链、截齿损耗大等问题；

6) 掘进机缺少架棚、打锚杆和锚索的机构，无法实现综合自动化。

虽然岩巷掘进机配套液压锚杆钻车也在大部分矿井得到了应用[3]，但存在一定的空顶作业空间，适用于岩性较好的巷道。由于新窑煤矿煤5层顶板属极软-较软岩类，易冒落，满足不了空顶作业，故此配套系统无法有效应用。岩巷综合机械化掘进装备技术有待发展研究[4]。

3 钻爆法炮掘

目前我国煤矿岩巷掘进绝大部分以钻爆法为主，配套其他机械化设备进行施工。相比综合机械化掘进，其存在如下优势：采用中深孔一次爆破技术，炮眼利用率可达90%以上，每循环进度1.2 m以上；全断面一次成巷，一次打眼，一次起爆，一次支护；湿式打眼，岩尘小，工作面积水能够及时排出，淤泥减少；可采用岩巷排矸组合系统，出矸石效率高。

3.1 凿岩机+装岩机

气腿式凿岩机配合耙斗式装岩机作业技术是我国运用最早的一种岩巷掘进技术。但耙斗式装岩机上的钢丝绳存在极大的安全隐患，国家相关法规也对耙斗式装岩机的使用做出了严格的限制，目前已经全部淘汰[5]。新窑煤矿750回风大巷岩巷掘进采用YT-28型气腿式风动凿岩机+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机+MGC1.1-6型固定箱式矿车进行巷道爆破、支护、装载及矸石转运。750运输大巷岩巷掘进采用YT-28型气腿式风动凿岩机+ZCY100R型侧卸式装岩机+MGC1.1-6型固定箱式矿车进行巷道爆破、支护、装载及矸石转运。但凿岩机爆破和支护打眼耗时长、效率低，机械化程度较低，每循环耗时约240 min。两种掘进方式的排矸系统也不完善，矸石转运耗时约80～100 min不等，效率低，机械化程度较低，造成掘进每循环总耗时约8 h，每天三循环进尺2.4 m，不能满足快速掘进的要求。同时，挖掘装载机和侧卸式装岩机相比，挖掘装载机虽然体积大，除矸不彻底，但可配套转载机实现连续运输，出渣效率高，可适用于±18°坡度的巷道；侧卸式装岩机虽然体积小、机动灵活，除矸彻底，但不能实现连续转运，出渣效率低，且只适用于平巷。两种装岩机各有优缺点，是目前使用最为广泛的岩巷掘进装备。

3.2 液压钻车+装岩机

液压钻车配套装岩机是钻爆法岩巷快速掘进使用最为广泛的掘进工艺。该作业方式与传统凿岩机作业方式相比较，解决了爆破和支护打眼速度慢、效率低的问题。新窑煤矿计划配备CMJ2-18型掘进钻车+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机/ZCY120R型侧卸式装岩机+DZQ80/35/15型带式转载机进行巷道爆破、支护、装载及矸石转运，但这种配套方式的缺点是钻车和装岩机在工作切换时需要在巷道内错车。图1、图2和图3为CMJ2-18型掘进钻车+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机的钻孔、爆破和装渣状态。由图1、图2、图3可以看出，岩巷掘进工作面在钻孔、爆破及装渣状态交替循环过程中存在错车问题，错车时还要让开带式转载机，对巷道宽度要求较高，且错车时存在较大安全风险，现场设备管理难度大。

3.3 钻装机组

钻装机组主要是集凿岩钻孔(爆破眼)、挂网支护、扒渣转运等功能于一体的岩巷快速掘进先进装备[6]，配备有两臂两钻，可以全方位360°旋转，可实现快速爆破打眼，同时配套二运带式转载机，与输送带搭接，可有效运矸，掘进作业安全、高效[7]。

图1 CMJ2-18型掘进钻车+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机钻孔状态

图2 CMJ2-18型掘进钻车+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机爆破状态

图3 CMJ2-18型掘进钻车+ZWY-120/55L型履带式挖掘装载机装渣状态

图4、图5和图6分别为CMZY2-150/20型岩巷钻装机组的钻孔、爆破和装渣状态。由图4、图5、图6可以看出，钻装机在岩巷掘进工作面钻孔、爆破及装渣状态交替循环过程中，不存在错车现象，可配合二运带式转载机，与输送带搭接，可有效运矸，掘进作业安全、高效[8]。

图4 CMZY2-150/20型岩巷钻装机组的钻孔状态

图5 CMZY2-150/20型岩巷钻装机组的爆破状态

3.4 钻装锚机组

钻装锚机组是在钻装机组的基础上增加了两台机载锚杆钻机，两臂四钻结构。其中两台为爆破炮眼凿岩机构，用作冲击凿岩；另外两台为锚杆钻机，用作螺旋钻进，动力源全部为液压系统。两臂四钻结构均可全方位360°旋转，无死角钻孔，可实现两个钻臂(四钻)同时打爆破眼孔或锚杆眼，使工作面迎头同时有两台凿岩钻机或锚杆钻机作业，有效提高了打眼速度。打眼放炮结束后，利用钻装锚机组上的反铲机构扒臂扒取远处的岩石，送入刮板运输机，刮板运输机从尾部将岩石卸入矿车或带式运输机中。凿岩钻机和锚杆钻机分别为两套独立的液压系统，出现故障时可实现互换使用，从而保证了整个钻装机的可靠性。配备的机载锚杆机，额定扭矩为200 N·m，接近普通顶锚杆机的2倍(普通顶钻120 N·m)，超过普通帮钻的两倍(普通帮钻90 N·m)，注锚(索)更加高效。

钻装锚机组配套梭式矿车、胶带输送机作业是一种新型的岩巷快速掘进技术[9]。该作业方式集爆破和支护快速打眼、支护效率高、机械化程度高于一体，能够实现岩巷的快速掘进，减轻作业人员劳动强度，在我国应用逐渐增多，有很好的发展趋势。结合新窑煤矿五采区岩巷实际条件，计划采用CZMY2-105/25型钻装锚机组+DZQ80/35/15型带式转载机+SD-20/6B型自卸式梭式矿车掘进工艺，完善排矸系统，将矸石转运时间缩短至50 min以内，从而保证每循环作业时间缩短至原来的一半，掘进进尺由原来的每天2.4 m提高至4.0 m以上，实现高效、快速、安全的岩巷掘进。

4 结论

钻装锚机组技术条件成熟，是目前较为先进的岩巷快速掘进设备，但具体的使用仍取决于矿井自身的地质因素、现场管理因素和其他系统的配套能力。与传统的岩巷掘进装备相比，此设备可大幅度提高掘进效率，减少作业人员，具有很好的推广应用价值。随着矿井自动化、信息化、智能化水平的不断提高，钻装锚机组的部分技术性能也有待提高，如钻臂操作缓慢、钻头在工作面指定位置对眼时精度要求高、操作人员距离工作面迎头较远、对眼效率较低等。可考虑增加PLC控制系统，使用遥控装置代替操作台控制，实现根据巷道尺寸和施工工艺进行自动对眼，提高设备的自动化程度。