蒲白黄陵新区矿井巷道快速掘进关键技术

赵改革

(陕西陕煤蒲白矿业有限公司煤矿运营公司，陕西 渭南 715517)

0 引言

随着煤矿采掘机械化程度逐渐提高[1]，蒲白黄陵新区下辖两矿年产量可达500万t。其中，建新煤化年产量达400万t，建庄矿业年产量达500万t，工作面推进效率明显提高，而这也对回采巷道掘进效率提出了更高的要求，矿井采掘接续问题成为了制约矿井进一步安全高效生产的瓶颈[2]。

蒲白矿业有限公司煤矿运营公司目前主要承揽蒲白黄陵新区两矿掘进工程，矿井均仍延续传统煤巷掘进施工工艺，即“综掘机+单体锚杆机”频繁交叉换位、交替作业，采用EBZ-200型掘进机掘进，MYT1-125锚杆机和ZM-15D风煤钻进行顶板及两帮的支护作业。在一个正规作业循环中，巷道截割时间约占30%，支护时间占60%，其它时间占10%，其中支护时间占比达一半以上，支护效率偏低是制约巷道掘进效率提升的主要影响因素。现阶段悬臂掘进机与单体锚杆钻机配套的掘进工艺较为传统[3]，巷道掘进单进进尺260 m左右，掘进效率相对偏低，掘进速度无法满足矿井安全高效生产需求，开展黄陵新区矿井快速掘进技术研究与应用具有十分重大的现实意义。

因此，文中基于陕西陕煤蒲白矿业有限公司黄陵新区下属两对生产矿井快速掘进关键技术研究，分别对蒲白黄陵新区建庄矿业、建新煤化目前回采试验阶段的回采巷道生产地质条件进行深入调研分析，结合巷道快速掘进生产技术要求，研发巷道掘锚一体化快速掘进关键技术，并基于蒲白黄陵新区生产地质条件进行技术适应性改造设计等，研究结果对于深部复杂条件下快速掘进系统设备科学研究与方案设计具有较大参考价值。

1 工程背景

根据建庄矿业生产地质条件分析结果，矿井4-2号煤层水文地质条件简单，煤层结构简单，4-2号煤层基本顶为“小街砂岩”，岩性为中、细粒长石石英砂岩及长石砂岩，顶底板岩性稳定，岩芯完整，裂隙不发育，4-2号煤层平均巷道长度达1 300 m，巷道宽度5.2 m、高3.6 m。

根据建新煤矿生产地质条件分析结果，建新矿井主采4-2号煤层，煤层埋深433.88～810.98 m，可采煤层厚度2.9～16 m，平均7.5 m，煤层硬度系数为1.03。该煤层层位稳定，全区大部分可采，厚度大且由边部向中心部位增厚的变化规律明显，该煤层结构较复杂，煤层内发育1～4层夹矸，单层夹矸厚度在0.2～1.8 m，其主要为泥质砂岩，局部为细砂岩，该煤层煤类主要为弱粘煤，灰分、硫分稳定，整体属厚-特厚煤层。4-2号煤层直接顶板为泥岩，属不稳定性顶板，基本顶板为小街砂岩，岩性为中、细粒长石石英砂岩及长石砂岩，属较稳性顶板。煤层底板多以泥岩、炭质泥岩、粉砂岩为主，细砂岩次之，为坚固性差-中等坚固岩石，属稳定性差至较稳定底板。

通过蒲白黄陵新区矿井煤巷快速掘进情况进行现场生产地质调研分析，了解掌握矿区矿井生产地质条件及巷道掘进现状，蒲白矿业黄陵新区建庄矿业与建新煤化两矿煤巷生产地质条件复杂，巷道掘进仍采用传统的“综掘机+单体锚杆机”掘进施工工艺，自动化程度低，难以实现掘锚平行作业，掘、支、运不平衡，掘进效率低，劳动强度大，安全风险高。由于目前矿井所采用掘进工艺较为传统，掘进速度无法满足需求，单进水平仅为每月260 m，采掘矛盾严重，研究巷道快速掘进关键技术至关重要。

为保证巷道快速掘进效率有效提升，进行巷道快速掘进施工设备研究选择，巷道掘进机械化装备应参照其他矿区实践经验，并结合矿井地质条件进行“因地制宜”的选择，通常根据岩性、巷道断面积和掘进长度选择机械化作业线主要配套设备，使所选的机械装备功能在施工过程中能够充分发挥出来。

2 巷道掘锚一体化快速掘进关键技术

巷道掘进施工速度及质量水平受设备配置、施工组织管理和掘进工艺水平3方面的因素影响，其中设备配置机械化程度的高低是最基本的影响因素，科学合理的施工组织管理是保证快速掘进的前提条件，掘进工艺水平是影响掘进速度和质量的关键因素[4]。

2.1 巷道快速掘进机械化设备选型

通过调研总结煤矿巷道的掘进施工工艺及现有支护设备的适应性，研究掘进及支护设备在掘进过程中的基本技术要求，主要包括掘进设备、胶带输送机、支护设备等，区别于神东等矿区大型矿井需求研制，蒲白黄陵新区下辖大型矿井生产地质条件相对复杂[5]，面临着主采煤层埋深大、瓦斯高、片帮、底鼓严重等围岩灾害，在该复杂地质条件下的快掘系统设计应用难度较大，同时相对陕北神东矿区、榆北矿区等较简单地质条件下巷道长度可达数千米情况下长达百米以上的快掘系统而言，黄陵新区矿井巷道平均掘进长度仅为2 000 m，需结合黄陵矿区具体矿井地质条件进行“因地制宜”选择分析，根据岩性、巷道断面积和掘进长度选择机械化作业线主要配套设备，科学设计适合该地质条件的快速掘进系统长度，使所选的机械装备功能在施工过程中能够充分发挥出来，良好地完成施工作业。

结合蒲白黄陵新区实际地质生产条件，设计以国产掘锚一体机为龙头、配套锚杆转载机、带式转载机、迈步式自移机尾等掘锚一体化掘进系统，考虑到自身地质条件较为复杂，巷道断面积和巷道掘进长度相对陕北神东矿区等较小[6-7]，故将快速掘进系统总长设计为67 m，可实现掘锚平行作业、分段支护、连续运输，并综合考虑通风、供电、排水、辅助运输环节，提高总体工效，将平均月进尺水平提高到500 m左右，皮带搭接20 m，每天理论进尺20 m，如图1、2所示，设备明细见表1。

表1 方案设备配套Table 1 Equipment matching of the scheme

图1 方案设备平面布置Fig.1 Equipment layout of the scheme

图2 方案设备配套Fig.2 Equipment matching of the scheme

系统总体技术参数及技术要求见表2。

表2 方案总体技术参数Table 2 Overall technical parameters of the scheme

整套设备具有联动闭锁、监测保护功能，具备瓦斯超限断电闭锁和故障闭锁功能。设备的最大不可拆解尺寸能够适应建庄矿业下井运输尺寸。整套设备可左右换向使用。

2.2 巷道快速掘进系统配套方案设计

即使成功的掘锚机组也只能解决落、装、支3个主要工序的机械化作业，并不能解决其他工序或环节上的问题。而整个煤巷掘进生产系统中只要有一个环节出现问题，整个系统就无法正常运行。因此，为发展掘锚一体化系统，提高成巷速度，满足高产高效综采面的接续要求，提高煤巷综掘机械化程度及掘进机开机率，首先需改进快速掘进系统配套方案设计[8]。

3 巷道快速掘进系统适应性改造

在此基础上，基于现有的快速掘进施工设备，进行支护工艺与参数适用性设计、统筹兼顾的配套系统工程、减小地质构造因素的影响[9]，再加上科学的施工组织管理、先进的施工措施与方案等，可以实现快速掘进设备利用效率最大化，保证快掘技术水平有效提升。

3.1 巷道快速掘进设备适应性改造

同时，综合考虑巷道岩性、断面尺寸和掘进长度，选择合理的掘进设备，在地质条件较为稳定的前提下，煤矿巷道掘进推荐使用掘锚一体化机组作业线，实现巷道掘进截割和支护平行作业，提高煤矿巷道掘进效率[10]。当在实际矿井生产掘进中，应根据具体矿井生产地质条件，结合设备技术性能，进行掘进机自身系统改造，改造内容主要包括以下几方面。

3.1.1 掘锚机技术改造

掘锚一体机在掘进期间，铲板升降是通过行走部的铲板升降油缸作用于输送滑槽实现，在向前行走时落煤对铲板两侧有较大的压迫力，可能会导致铲板超过极限位置，致使油缸脱落，进而使设备受到损坏。为了更好地保护左右两侧可伸缩铲板，在两侧伸缩铲板与底板之间使用2条起重链条进行连接，两端使用马蹄环焊接。

当实施设备技术改进后，有效增加了掘锚一体机铲板的承载能力，对铲板的极限位置起到了机械保护的作用，大幅提升了耙装能力，从而提高装煤效率。具体设备技术改造效果如图3(a)所示。

图3 掘进设备适应性改造Fig.3 Adaptability transformation of tunneling equipment

3.1.2 转载机改进

锚杆转载机的原有设计中，受料斗侧板倾斜度影响不能有效将煤运出，可能会经常导致受料斗堆煤，进而影响工作效率，针对此缺陷进行改造，如图3(b)所示。

改进方案，采用10 mm的钢板作为主要改造材料，在原有的基础上再加工侧护板，目的是改变受料斗侧板倾角，使煤能够顺利流入刮板运输机内。护板采用螺栓固定，可以拆卸。

3.2 巷道快速掘进支护参数适用性优化设计

通过理论计算，为最大发挥各装备的支护能力，提高支护效率，对当前支护参数进行优化。其中，锚杆和侧帮间排距由650 mm×700 mm优化为750 mm×800 mm，数量由9根优化为8根，锚索间排距由1 400 mm优化为1 600 mm。侧帮锚杆长度由3 500 mm优化为2 500 mm。如图4所示。

图4 建庄矿业巷道支护方案示意Fig.4 Roadway support scheme of Jianzhuang Coal Mine

支护方案设计如图5所示，巷道采用分段支护，即临时支护，优先打6根顶部锚杆、2根顶锚索，上部每帮2根锚杆，进而补打其余锚杆、锚索，通过平行作业，提高巷道支护效率。

图5 支护方案设计Fig.5 Support scheme design

3.3 巷道快速掘进施工工艺及劳动组织优化设计

以建庄矿业为例，采用掘锚一体化快速掘进系统后，掘进工作面劳动组织采用“三·八”制作业，即2班(0点班、4点班)生产，1班(8点班)检修的正规循环作业。劳动组织人员配置见表3。

表3 劳动组织人员配置Table 3 Staffing of labor organization

4 试验结果及分析

矿井快速掘进系统主要配套设备如下：EJM340/4-2H掘锚一体机、MZHB6-1200/20锚杆转载机、DZQ100/100/37型煤矿用带式转载机、DWZY1000/1200型带式输送机用自移机尾。系统采用模块化设计，主要设备可以独立运行。以2 000 m巷道为例，进行指标的详细分解计算，见表4。

表4 进尺计算Table 4 Footage calculation

准备巷道开掘利用系统配置的掘锚一体机，掘锚一体机自行走至掘进面开口处，耗时1 d，按照准备巷道最少需110 m计算，掘锚一体机单机日进尺10 m，需掘进11 d，巷道准备合计11 d。后配套设备下井、井下组装及调试，根据黄陵快掘系统推算，约需5 d。正巷掘进2 000 m，系统正常工作月进500 m，合计需104 d。系统回撤，时间约需要4 d。

经过技术经济性评价，该方案技术先进、合理，经济可行，具备月进尺500 m的能力，掘进速度比现有综掘系统提高2倍。

5 结语

(1)结合黄陵新区矿井岩性、巷道断面积和掘进长度等条件，设计以国产掘锚一体机为龙头、配套锚杆转载机、带式转载机、迈步式自移机尾等掘锚一体化快速掘进系统，科学设计适合该复杂地质条件的快速掘进系统长度为67 m。

(2)采用新型掘锚一体化快速系统后，可实现掘锚平行作业、分段支护、连续运输，从而提高巷道掘进总体工效，预计最终可将月进尺提高到500 m左右。

(3)结合具体矿井生产地质条件，通过研究优化快速掘进设备的适应性分析及改造应用、巷道支护方案优化设计、劳动组织适应性分析及优化等方面内容，并综合考虑通风、供电、排水、辅助运输环节进行配套系统设计，保证巷道快速掘进系统良好运行，形成适用于蒲白黄陵新区建庄、建新两矿的快速掘进系统技术体系，推动矿井“四化”建设提速创效，实现煤矿作业“无人则安、少人则安”的智慧化矿山建设目标。