高抽巷机械化快速掘进技术的实践

云 文

（霍州煤电集团兴盛园煤业有限责任公司，山西 临汾 031400）

煤炭行业的发展促使矿井尤其是综采工作面的效率逐步提升。然而，目前综掘巷道多布置在岩巷中，岩石硬度大，加之智能化程度低，导致掘进效率远低于采煤效率，采掘接替是目前煤矿实现高效安全生产的一个突出问题。

1 工程概况

霍州煤电集团兴盛园煤业位于山西省霍州市，井田面积为 6.425 7 km2，保有地质储量4897 万t，设计开采储量2 020.6 万t，开采 1#、2#、10#、11#煤层，设计生产能力为90 万t/a。101 高抽巷位于采区回风下山北侧，东临150101 回风顺槽（未掘），西、南部为煤层实体，均未采动。101 高抽巷设计长度为1117 m，用于101 工作面排瓦斯使用。101 工作面煤层厚度为3.24～9.02 m，平均厚度为6.44 m，煤层埋深514～545 m。煤层及顶底板柱状图如图1。

图1 101 工作面顶底板柱状图

2 原岩巷快速掘进情况分析

（1）岩巷掘进装备专业化程度低

兴盛园煤业岩巷掘进装备专业化程度低，没有专门针对瓦斯高抽巷特殊工况的掘进系统，掘进效率低，掘滞后于采。该煤矿岩巷掘进主要有以下方法：

① 炮掘工艺。传统岩巷炮掘主要特点为：打炮眼及装药准备时间长，进尺效率低，炮掘进尺效率平均75～110 m/月；炮掘对巷道整体稳定性破坏较大，巷道后期使用安全的不确定性较大；巷道成型不整齐，对锚护造成一定困难；振动大，对岩石产生破坏，巷道后期使用过程中会经常出现落料，需要频繁放顶修复。

② 悬臂式掘进机。该煤矿井下岩巷采用的掘进机最小截割断面面积均在13 m2以上，进尺效率平均在95～155 m/月，施工断面大，收、运料成本高，锚、护成本高，综合经济效益较低。

③ 小型盾构机。小型全断面岩巷掘进机施工断面面积可达到7～8 m2，但设备费用较高，先期投入较大；全断面掘进机施工过程中只可前进，不可后退，灵活性不好。

（2）岩巷的层位选择无定量描述

不同开采条件的构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场等地质条件复杂，地区差异性较大，但是该煤矿高抽巷的层位选择缺乏科学定量描述。

（3）矿建经济成本和环保压力大

该煤矿开拓巷、高抽巷普遍存在煤岩硬度高、掘进工作面粉尘量大、运输排矸石量大等问题，矿建经济成本和环保压力日益增加。

基于以上原因，该矿岩巷掘进施工速度慢、效率低。设计一套适合高抽巷、整机灵活性好、可截割硬岩、进尺速度快、除尘效果好、施工综合效率高的掘进方案[1-6]是非常具有实际意义的。

3 岩巷小断面机械化快速掘进技术的设计

以兴盛园煤业101 小断面高抽巷为研究对象，通过引进EBZ-280C 小断面岩巷掘进机，并针对性制定岩巷快速掘进工艺，可实现岩巷的快速掘进。

3.1 合理层位选择

高抽巷主要是用来排放工作面的瓦斯，其位置一般选择在裂隙带中下部，在保障安全的前提下，选择合理层位，是实现其快速掘进的关键点。

3.1.1 岩石强度测试

对巷道围岩属性及煤层延伸性探测感知测试，针对不同岩性岩石，优选最有效的破岩方式，是提高机械钻掘效率的前提，因此，需要对巷道围岩进行岩石地质力学测试，研究岩石在不同动静组合荷载作用下的破裂机理及裂隙发展规律，可为掘进机截割参数确定提供参考。

将101 高抽巷岩石制备成Φ50 mm×100 mm的岩样，经MTS816 试验机进行强度测试，可得101 工作面直接顶砂质泥岩、老顶细粒砂岩、泥巷的硬度指数f 分别为3～4、5～6、2～3。

3.1.2 工作面顶板裂隙带层位

厚煤层分层开采的冒落带高度可采用公式（1）计算，裂隙带高度可采用公式（2）计算。

式中：H冒为冒落带高度，m；H裂为裂隙带高度，m；M为各岩层厚度，m。计算可知H冒为煤层顶板上11～15 m 位置，H裂为顶板以上15～55 m 位置。

采用FLAC3D/PFC 模拟计算软件，模拟结果表明冒落高度为10～15 m 位置，裂隙带分布在顶板15～35 m 位置。

综上所述，101 工作面上覆岩层冒落高度和裂隙带高度分界线约在煤层15 m 处位置，因此101高抽巷合理布置层位为3#煤层顶板向上约15～18 m处位置。

3.2 巷道断面及支护优化

3.2.1 巷道断面优化

EBZ-280C 掘进机机身尺寸为：长12.4 m，铲板宽2.6 m，机身宽2.38 m，履带外侧宽2.38 m，机身高1.8 m，截割部水平最高2.3 m，一运尾端高1.98 m。结合机身身尺，确定101 高抽巷巷道宽度×高度=3.9 m×3.3 m。

3.2.2 巷道支护优化

对101 高抽巷支护方案和参数进行优化，如图2。顶锚杆采用Φ22 mm×M24×2400 mm 的高强左旋螺纹钢筋，采用端头树脂锚固，锚杆排距1200 mm；顶锚索采用Φ18.9 mm×5000 mm 的高强度低松弛钢绞线，采用端头树脂锚固，采用“1-0-1”布置。

图2 101 高抽巷断面支护示意图（mm）

3.3 主要装备及配套

3.3.1 岩巷掘进机

采用最小断面掘进机，EBZ280C 型岩巷掘进机是适合高抽巷掘进且综合经济性最好的岩巷掘进机。该掘进机为小断面、小体积、大功率、高功率密度、超长质保的黑金刚级岩巷掘进机。该机通过设备结构、配置优化实现与原EBZ260/280 掘进机相比截割断面减少30%，系统综合寿命提高50%；对巷道控尘技术做综合研究并达到有效控尘。整机外形尺寸缩小后确保配置不变、动力不降，合理化增重并优化重心，确保整机截硬岩动力充沛，稳定性更好。

该机经济截割岩石硬度f≤8，最大截割硬度f可达10，重量达82 t（不含二运），最小截割断面为 8.2 m2。断面减小后，收运料成本、铺护成本、截齿损耗、维护成本等直接经济效益提高30%以上。断面跨度小，杆间距还可进一步加大，综合经济效益可提高40%以上。断面小，少排料，利于环保。按单位时间段计算，成形小、断面进尺快，进尺可提升30%以上。该机采用“闭式液压系统”，使整机液压系统阀组、管路进一步优化，液压油量减少40%。该系统具有清洁、环保、节能、少故障、便维护、寿命长等特点，是掘进机液压系统的重大变革。

3.3.2 带式输送机的选择

为能配套EBZ-280C 掘进机的割岩作业，满足施工现场的安全可靠运输的要求，确定配套采用QZP-160A 型桥式皮带转载机+SJP-1000 皮带机。

4 现场应用效果分析

在101 工作面3#煤层顶板向上约15～18 m 处位置布置101 高抽巷，应用EBZ-280C 型小断面岩巷掘进机进行掘进施工作业+配套机械化快速掘进工艺，取得了较好的效果。

首月进尺247.35 m，有效平均进尺7.83 m/d，单日最大进尺达13.6 m，首月后单日进尺均超过11.5 m。对比该煤矿以往炮掘，月平均进尺提高58.6%，日平均进尺提高95%，成效显著。该岩巷机械化快速掘进技术能提高巷道施工效率，加快巷道和工作面布置。

经计算，该岩巷机械化快速掘进技术应用后，每掘进1 m 的综合费用从以往炮掘的6 105.4 元降低至5 203.7 元，每1 m 可节约901.7 元，预测完成101 高抽巷的施工约可节约100 万元。