1010-1 工作面快速掘进与一站到位设计技术研究

陈伟强

（皖北煤电集团恒源股份有限公司五沟煤矿，安徽 淮北 235131）

1010-1 掘进工作面作为皖北煤电集团公司2021年重点工程的其中一项，也是五沟煤矿2021 年重点掘进工作面，关系到矿井2021-2022 年生产接替问题。1010-1 风巷联巷及风巷掘进工程量1 280 m、1010-1机巷联巷及机巷掘进工程量970 m、1010-1 切眼掘进工程量160 m，综上，1010-1 工作面掘进总工程量2 410 m，施工工艺主要采用综合机械化掘进工艺。

1 遇到问题

1010-1 风巷联巷设计为沿空送巷、与1016 采空区、1012 采空区之间留设4～8 m 煤柱，巷道掘进期间，面临着多次调向拨门、机电设备安拆频繁；沿空掘进过老硐、穿老巷、探放老空水机新掘巷道易受压变形；地质条件复杂、过断层、“四含”改造效果钻探验证等许多影响安全生产和快速掘进的客观因素。与1010-1 机巷联巷贯通前，1010-1 风巷掘进期间，出货系统最多达到7 部出货设备（胶带机5 部、链板机2 部），出货系统复杂、出货路线距离长。

1010-1 机巷联巷及机巷掘进按照“一站到位”设计原则，机头硐室、安拆硐室及车场一次性施工到位，出货系统直接安装DSJ100/80/2×110 型皮带机，巷道掘进期间，面临着岩巷/煤巷大断面（超宽、超高）施工；地质条件复杂、过断层、“四含”改造效果钻探验证等影响安全生产和快速掘进的客观因素，提高单进水平十分困难。

2 解决对策

根据皖北煤电集团公司2021 年重点采掘接替要求，1010-1 工作面必须在2022 年1 月31 日前实现全系统贯通，这迫切需要深入推进安全技术经济一体化、不断推广“四新”技术应用和矿井“四化”建设、不断优化劳动组合、进一步提高单进水平，才能确保1010-1 工作面安全、快速、高效掘进，才能从根本上扭转生产接替的被动局面，才能完成皖北煤电集团公司重点工程任务。

针对以上困难，五沟煤矿紧紧围绕“1010-1 工作面快速掘进和一站到位”课题目标，精心研究、精准施策，先后采取了“精准过断层施工方法技术研究与实践”“不停头安装皮带机施工工艺优化与实践”“带式输送机集中控制系统推广应用”“岩巷大断面正台阶法施工工艺技术研究”“矸石地仓的设计与应用”和“1010-1机巷与1010-1 风巷交替掘进施工优化”等技术改进和创新，极大地提高了掘进效率和单进水平，提前公司计划41 d 实现1010-1 工作面的全系统贯通（贯通日期2021 年12 月20 日）。

3 精准过断层施工方法技术研究与实践

按照集团公司7 项攻坚中“实施变过断层为治断层攻坚”的精神要求，五沟煤矿在1010-1 工作面深入实施“精准过断层施工方法技术研究与实践”，掘进期间先后安全顺利揭过F14-1 正断层、F14-2 正断层、F14-4 正断层、DF407 正断层等多个地质断层，为掘进工作面精准过断层和治理断层积累了宝贵经验，下面列举3 个典型案例进行具体分析。

3.1 1010-1 风巷联巷过F4-1 正断层施工方法技术研究与实践

根据地质预报书，1010-1 风巷联巷迎头施工至E11点前55 m 将揭露F4-1 正断层上盘，若继续沿煤跟顶施工进入下盘，则下盘煤层将位于迎头上部，很难直接撵上顶板，造成托煤顶施工，顶板管理安全风险较大。

经研究决定，1010-1 风巷联巷迎头施工至E11点前39 m 处开始变坡按照15°上山撵F4-1 正断层下盘煤施工，跟上10 煤层煤顶后沿煤跟顶施工如图1 所示。按照此施工方案，过该断层时顺利撵上下盘煤层顶板，消除了因托煤顶施工导致进度缓慢和安全隐患大的不利条件。

图1 1010-1 风巷联巷过F4-1 正断层施工平面和剖面示意图

3.2 1010-1 风巷联巷过F4-2 正断层施工方法技术研究与实践

根据1010-1 风巷联巷下穿1016 机巷及1010-1外段机巷施工要求，穿巷施工段采用架29U 型钢梯形棚支护，按照原设计迎头施工至E14点前70 m 处开始变坡，按照+13°上山撵F4-2 正断层上盘煤施工如图2所示。巷道掘进时，对顶板煤层赋存情况探查清楚后，迎头架棚坡度调整为16°上山，加大撵煤坡度，当1010-1 风巷联巷施工至E16点前20 m 时，迎头开始见煤即揭露断层上盘煤层，经现场探查棚梁以上煤厚达1.5 m，且此时迎头距调向拨门位置仅剩余5 m，这必须要求强制更改为锚网带索支护并撵上顶板，确保调向拨门安全施工。

图2 1010-1 风巷联巷过F4-2 正断层施工平面和剖面示意图

经研究决定，1010-1 风巷联巷自E16点前20 m 处开始由架棚支护更改为锚网带索支护，然后按照至少18°上山撵F4-2 正断层上盘煤施工，并采取以下安全技术措施：（1）采用注浆管配合久米纳矿用无机加固双组份速凝材料（KWJG-4 型）超前注浆加固顶板；（2）托煤顶段锚索改用规格为L×φ=9000×21.8 mm 的高强度锚索，且加密布置；（3）托煤顶段顶板采用注浆管配合久米纳矿用无机加固复合砂浆（KWJG-1 型）进行喷注浆加固。通过以上加强支护、加固顶板方案，该段巷道顶板得到安全有效控制，目前支护材料无明显变化。

3.3 1010-1 机巷联巷过DF407 正断层施工方法技术研究与实践

根据地质预报书及DF407 正断层钻探结果，矿研究确定1010-1 机巷联巷过DF407 正断层施工方案：1010-1 机巷联巷迎头自C28点前13 m 处开始按17°上山施工，预计施工至C28点前38.5 m 时将揭露DF407 正断层上盘煤层，继续向前施工至C28点前42.5 m时将开始托煤顶施工，预计最大托煤顶厚度8.2 m，然后继续按17°上山撵正断层下盘煤施工如图3 所示。

图3 1010-1 机巷联巷过DF407 正断层施工平面和剖面示意图

为保证大角度撵煤及托煤顶施工期间的安全管理，制订加强支护、顶板加固方案：（1）采用注浆管配合久米纳矿用无机加固双组份速凝材料（KWJG-4 型）超前注浆加固顶板；（2）托煤顶段锚杆支护无法满足安全要求时，采用锚索（规格为L×φ=7300×17.8 mm）及柔性锚杆（规格为L×φ=3500×17.8 mm）代替锚杆进行支护；（3）托煤顶段锚索改用规格为L×φ=9000×21.8 mm的高强度锚索，且加密布置；（4）托煤顶段顶板采用注浆管配合久米纳矿用无机加固复合砂浆（KWJG-1 型）进行喷注浆加固。通过以上管控措施，顶板得到安全控制，目前该段巷道无明显变形现象。

地质条件复杂是五沟煤矿显著的矿井特征，1010-1工作面更是明显受到多个断层的综合影响，通过开展实施“精准过断层施工方法技术研究与实践”，及时总结过断层施工方法和实践经验，并将久米纳矿用无机加固材料（新材料）引入到超前治理断层、加固断层中去，为安全精准过断层提供了新方法，加快了掘进进度，提高了单进水平。

4 不停头安装皮带机施工工艺优化与实践

1010-1 风巷系统掘进期间，前后4 次调向拨门；1010-1 机巷系统掘进期间，前后2 次调向拨门。按照以往施工经验，在掘进尺巷道初始调向施工时，需采用掘进机配合链板机出货，链板机按照胶中线铺设，在进尺一定距离后（约70 m），需停头拆除链板机、安装皮带机。而皮带机安装及调试完好运转正常最快也需要3 个圆班，这样就会影响正常进尺3 个圆班，严重制约着巷道单进水平。

通过实施“不停头安装皮带机施工工艺优化与实践”，在每次巷道调向施工铺设链板机时，改变链板机铺设位置，链板机不再占用胶中线，将皮带机安装位置预留出来，如图4 所示。这样在掘进进尺时就可以陆续进皮带机组件，实施“不停头”组装皮带机。当皮带机安装好调试正常及掘进机二运安装好后，再将链板机拆除，就可以实现系统快速转换，无缝衔接。

图4 皮带机安装改进前后示意图

通过安装工艺改进，采用这种方法可以实现不停头安装皮带机，将影响降到最低。在1010-1 风巷联巷2-2 段、3-3 段联巷调向施工时及1010-1 风巷、1010-1 机巷拨门施工时，均采用此种方法安装皮带机，效果明显，为单进水平的提高创造了有利条件，也为其他掘进工作面不停头安装皮带机提供了宝贵经验。

5 带式输送机集中控制系统推广应用

1010-1 风巷系统掘进期间，出货系统多达7 部运输设备（5 部皮带机、2 部链板机）；1010-1 机巷系统掘进期间，出货系统有3 部皮带机。按照一部设备分配一名司机的配置标准，1010-1 工作面两巷每班至少需要10 名司机，对于综合机械化掘进工作面，人员配备稍显不足，给加快掘进进度和提高单进水平造成了一定影响。

通过在1010-1 风巷联巷及1010-1 机巷联巷皮带机上安装“带式输送机集中控制系统”，1010-1 风巷联巷第一部皮带机、第一部链板机、第二部皮带机、第三部皮带机及第四部皮带机共5 部设备实现集中控制，如图5 所示，每班仅需1 名司机操作即可；1010-1 机巷联巷第一部皮带机、第二部皮带机及第三部皮带机共3 部设备实现集中控制，由1 名司机就可完成操作。

图5 带式输送机集中控制系统

1010-1 工作面两巷皮带机实现集中控制后，每班每头可以节约6 人，这些人员可以分配到运送物料、迎头作业等环节，加快了当班施工进度，为单进水平的提高提供了一定人力支撑。

6 岩巷大断面正台阶法施工工艺技术研究与实践

为贯彻落实“一站到位”设计思想，1010-1 机巷联巷在设计及施工时，一次性将皮带机机头硐室、支架安拆硐室及车场施工完成，并直接安装回采期间使用的DSJ100/80/2×110 型皮带机。由于硐室及车场设计断面（超宽达6.7 m、超高达6 m）大，且在岩层中施工，施工难度加大。

因巷道断面较大，采用全断面一次爆破施工难度较大，而且采用炸药量校核风量时，现有的FBD №6.0/2×30 局扇不能满足风量要求。为保证施工安全和提高巷道成型，经研究决定采用正台阶法施工，即首先掘出上部并进行支护，上部掘支护完成后再施工下部并支护，下台阶滞后上台阶不小于5 m。

岩巷的爆破效果在很大程度上决定着炮掘巷道的单进水平，尤其是在岩巷爆破施工中出现欠挖、超挖、爆破后大块矸石多是影响施工进度的主要因素。在1010-1机巷联巷施工初期就出现了上述情况，欠挖需要重新用风镐刷帮或爆破剥帮，超挖不仅增大出矸量还要修整成型，大块矸石无法进入运矸系统需人工破碎，这些均大大延长了施工时间，打破了正规作业循环。根据上述情况不断分析摸索，优化了炮眼布置及爆破参数。

（1）原爆破施工时，采用单排楔形掏槽，掏槽眼深2 000 m、辅助眼及周边眼深1 800 mm，在眼底处掏槽眼与最近的辅助眼眼距达到950 mm，因此爆破施工后大块矸石多，而且每循环进尺仅能达到1 400 mm左右。通过分析，对爆破参数进行了优化，首先通过调整掏槽眼的角度及间距，再增加两排掏槽眼（原有两排掏槽眼），减小眼底处掏槽眼与辅助眼的间距，使其不大于500 mm。再次在掏槽眼中间均匀布置6 个中空炮眼以增加自由面，同时还可以防止掏槽眼范围内行成大块矸石。通过优化后取得了很好的爆破效果，大块矸石明显减少，每循环进尺可以到达1 600 mm 左右。

（2）提高炮眼施工质量，要求班队长亲自画出炮眼轮廓线，标定眼位。打眼时划分区域，定人、定钻、定眼位、定责任，炮眼施工结束后由班队长亲自验收炮眼深度、方位、倾角，装药时严把装药质量。通过上述举措大大提高了爆破效果，欠挖、超挖现象明显减少。

通过实施正台阶法及炮眼参数优化，大大提高了进尺效率，由初期周进尺8 m 提高至周进尺14.4 m，折合月进尺为61.7 m，提升效果明显，为其他大断面岩巷施工提供了宝贵经验。

7 矸石地仓的设计与应用

1010-1 机巷联巷岩巷掘进特别是大断面硐室施工期间，制约岩巷单进水平的另一个重要因素就是出矸石。施工初期，1010-1 外段机巷联巷出矸系统及路线为迎头耙矸机配合链板机出货，出货至1010-1 外段机巷皮带机，同时在1010-1 外段机巷皮带机上直接安装分装分运装置，将矸石直接拦截在矿车内。采用此方法虽然简单方便，但是严重制约着出货效率，而且皮带机需要频繁启动，对设备损坏也较大。这套系统在出矸量很小时，使用方便、效果较好，但在大断面岩巷施工时，矸石出货量较大，已经不能满足需要，且对单进水平产生较大影响。

针对这种现状，经研究决定对现有出矸系统进行优化、改造，优化方案为：在1010-1 外段机巷外口施工一个矸石地仓，将矸石拦截在地仓内，然后在地仓处安装一部耙矸机，采用耙矸机配合车皮出货，同时后路采用电瓶车转运空车皮及矸石车，在车皮紧张的情况下，矸石地仓还可以存储一定量矸石，通过优化出矸系统，大大提高了出矸效率，同时还缓解了车皮供应紧张的情况，保障了巷道快速进尺。

8 1010-1 机巷与1010-1 风巷交替掘进施工优化

因1010-1 工作面上覆“四含”水层的影响，需在1010-1 机巷及风巷施工井下验证孔进行验证1010-1工作面“四含”注浆改造效果，且要求停头施工。起初1010-1 风巷和1010-1 机巷分别由掘进一队和掘进二队负责掘进施工，当迎头施工至打钻位置，该头队伍停止掘进进尺到后路去修整或到其他头面施工，严重影响了掘进进尺任务的按期完成和单进水平的提高。

经研究决定，抽出一支掘进队（掘进一队）到1024 机巷拨门施工，1010-1 机、风两巷只保留一支掘进队（掘进二队）施工，每当机巷或风巷停头打钻期间，可搬至另一巷道迎头施工，实施两巷交替掘进。在2021 年7-11 月间，1010-1 机巷停头打钻5 次、1010-1 风巷停头打钻4次，共计停头打钻9 次。而在2021 年8 月、9 月、10 月3个月通过打钻期间进行交替掘进施工，掘进二队分别施工了201 m、185 m、195 m，并且超额完成了月度计划任务，其中8 月份取得了日进尺11.2 m 的好成绩。

采用此施工方法之后，不仅完成了当月钻探任务，而且完成了月度掘进任务，没有影响进尺的同时，还抽出了一支掘进队到1024 机巷进行掘进施工，实现了停头不停工的快速掘进。

9 成果推广建议

在皖北煤电集团公司的正确领导下，该矿紧紧围绕“进尺就是产量”的生产理念，通过多年来的技术探索、工艺优化和装备引进，不断提高掘进单进水平，最大限度地降低地质条件、装备水平、人员素养等制约单进水平的不利因素，同时深入推进安全技术经济一体化、不断推广“四新”技术应用和矿井“四化”建设，1010-1 工作面掘进期间先后实施了“精准过断层施工方法技术研究与实践”“不停头安装皮带机施工工艺优化与实践”“带式输送机集中控制系统推广应用”“岩巷大断面正台阶法施工工艺技术研究”“矸石地仓的设计与应用”“1010-1 机巷与1010-1 风巷交替掘进施工优化”等技术改进和创新，极大地提高了掘进效率和单进水平，为在其他掘进工作面推广应用提供了较好的技术支撑和实践经验。

10 结束语

通过实施精准过断层施工方法技术研究与实践，结合钻探、物探等科学手段，超前探查断层赋存情况，制订较为合理、安全的过断层方案，避免了井巷误工现象，加快了掘进进度。同时引入久米纳矿用无机加固材料，加大了断层治理工作面，提高了围岩强度，降低了后期巷道维护成本。

通过实施不停头安装皮带机施工工艺优化与实践，掘进工作面安装皮带机由原来3 个圆班的工期缩减到1 个小班，实现了生产与安装之间的平行作业和快速衔接，大大提高了安装效率，减少了进尺影响时间，有助于单进水平提高。

通过带式输送机集中控制系统的推广应用，实现1 人操作多部设备，真正达到“智能化减人”的安全目标，1010-1 工作面每班至少节省人员6 人，富余人员可以重新进行分配，这样有效节约了人力资源，优化了劳动组合，提高了施工进度与效率，为单进水平的提高提供了人力支撑。

通过实施岩巷大断面正台阶法施工工艺技术研究与实践，改善了岩巷大断面爆破效果，提高了施工进度，同时实行矸石地仓的设计与应用，加快了工作面出矸效率，有效缓解了因车皮紧张造成出矸困难而影响施工进度的困局，两种技术改进相结合，为1010-1 机巷联巷硐室及车场段大断面安全、高效、快速施工创造了有利条件。

通过1010-1 机巷与1010-1 风巷交替掘进施工优化，安排一支掘进队伍在两头轮换进尺，实现了停头不停工的快速掘进，避免了因停头打钻验证“四含”改造效果期间，一支掘进队伍无掘进进尺而造成人员浪费现象的出现，形成了由“停头钻探影响进尺”到“钻探与进尺互不影响”的生产局面，确保了1010-1 工作面系统提前贯通。