巷道掘进方案优选及掘锚参数设计

王 璐

(山西省煤炭规划设计院(集团)有限公司 长治分公司,山西 长治 046000)

随着先进的开采设备应用推广,采面推进速度及煤炭产量均显著提升,矿井采掘接替紧张问题更为突出[1-2]。众多的工程实践表明,采用综合机械、自动化设备代替传统的施工工艺是实现巷道快速掘进的主要途径,也是缓解采掘接替紧张的主要措施之一[3-6]。掘锚一体机集中了掘进、支护、运行、行走及除尘等功能,集成化及自动化程度较高,能显著提升掘进率、围岩支护效率,同时在增强安全保障能力、降低作业人员劳动强度等方面优势明显[7-9]。山西某矿现阶段煤巷均采用综掘方式掘进,月掘进进尺在300 m左右,巷道掘进时单机作业效率偏低,导致矿井采掘接替较为紧张。随着以掘锚一体机为核心的快速掘进系统推广应用,巷道掘进效率得以显著提升,为此矿井提出在9号煤层9503运输巷掘进中引进掘锚一体机快速掘进技术,以期达到提升巷道掘进效率、解决矿井采掘接替紧张问题的目的。

1 工程概况

9503运输巷沿回采的9号煤层底板掘进,9号煤层厚度为3.13～4.20 m,均值为3.45 m,煤层倾角为1°～6°,煤层赋存较为稳定,中部靠上存在厚度为0.2～0.45 m的炭质泥岩夹矸。9号煤层顶底板岩性以泥岩、砂岩及灰岩为主,具体如表1所示。

依据9503运输巷掘进区域现场地质条件、矿井掘进及支护设备配备情况,确定巷道为矩形断面(掘宽5.4 m、掘高3.4 m),巷道掘进长度为5 000 m,巷道掘进区域内地质构造不发育,水文地质条件简单。9503运输巷设计采用锚网索方式支护围岩,具体顶板采用Φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆+Φ15.24 mm×6 000 mm钢绞线锚索+金属网支护,锚杆间排距为800 mm×800 mm,锚索间排距为1 600 mm×1 600 mm;煤柱帮及采面帮分别采用Φ20 mm×1 800 mm螺纹钢锚杆、Φ20 mm×1 800 mm的玻璃钢锚杆支护,间排距均为900 mm×800 mm.

表1 9号煤层顶底板岩性

2 巷道掘进方案优选

现阶段矿井掘锚一体机巷道掘进方式有下述两种类型:①掘锚一体机+连续运输方式,可实现掘进、支护等平行作业,在陕西榆林矿区应用较为广泛;②掘锚一体机+间断运输方式,主要配套设备为梭车,掘进、支护顺序作业,在鄂尔多斯矿区应用较为广泛。文中结合9503运输巷现场实际条件,对上述两种掘进方案进行比对分析,最终优选适合巷道实际需要的掘进方案。

1.1 方案1

该方案为连续运输方式,主要的掘进及配套设备为掘锚一体机、带式转载机、锚杆转载机、自移机尾等,具体使用EJM340锚掘一体机实现截割、装载同时完成部分侧帮、顶板锚杆支护;采用MZHB5-1200/25锚杆转载机完成部分锚索、锚杆支护;采用DZQ100/100/40带式转载机将原煤转运至带式输送机。通过多设备配备完成巷道掘进、支护、运输等工作,具体巷道内掘进设备配备情况如图1所示。

图1 方案1设备配套情况

巷道掘进采用方案1时,主要优点有:①机载支护设备可实现全程机械化操作,明显降低作业人员劳动强度;②实现巷道内连续运输,对支护任务进行合理分配后可显著提升巷道掘进效率;③钻进设备多,可依据现场支护需要分配支护任务;④转载机与自移机尾搭接距离长,明显减少机尾移动频次。

存在弊端有:在切巷与联巷转角处施工时,受现场条件制约无法使用转载机直接转载,截割的煤矸需二次转运。

1.2 方案2

采用间断运输掘进方式,主要的掘进及配套设备为锚掘一体机、梭车、履带式破碎机等,可实现掘进及围岩支护作业及机械化,同时截割产生的煤矸通过间断式运输,以实现巷道快速掘进。掘进时采用型号EJM340掘锚一体机进行截割、装煤等操作,同时利用机载锚杆钻机实现顶锚杆支护;使用SC15/182F型梭车将截割的煤矸转运至破碎机;使用PZL460/150破碎机实现煤矸破碎、转载;破碎后的煤矸使用DSJ100/100/2×40型带式输送机外运。巷道顶锚索、巷帮锚杆使用锚杆锚索钻机施工,具体巷道掘进设备配备情况如图2所示。

巷道掘进采用方案2时,主要优点有:①间断运输方式机动灵活,可满足复杂条件下巷道快速掘进需要;②切巷与联巷转角处施工时可直接运输截割的煤矸。

存在弊端有:①巷道掘进时,无法实现煤矸连续运输;②梭车需往返移动,从而会给底板施加较大应力,容易导致底板破碎、变形等问题;③掘锚一体机机载锚杆钻机围岩支护工作量大。

1.3 掘进方案优选

上述2种巷道掘进及支护设备比对结果如表2所示,两种掘进方案均有其自身的特点,具体结合9503运输巷现场实际情况并从掘进效率及自动化程度两个方面考虑优选掘进方案,具体比对结果为:

表2 两种巷道掘进及支护设备比对结果

1) 掘进效率。掘进效率直接影响巷道掘进速度、采面布置等,是选择掘进方案时需要重点考虑的内容。掘进方案一配套的钻架数量较多,从而可更好地适应复杂地质条件围岩支护需要,当地质条件较差时可由掘锚一体机承担较多的围岩支护工作;而围岩条件较好时则可将顶板部分锚杆及定锚索交由锚杆转载机承担,从而可显著提升围岩支护效率。而方案2大部分的围岩支护工作由锚掘锚一体机承担,仅部分的滞后锚杆及锚索由单体锚杆锚索钻机承担,且单体锚杆锚索钻机围岩支护效率较低。

2) 机械化程度。方案1中掘进、转载、运输以及围岩支护等均实现了机械化操作,而方案2中部分围岩支护仍是半机械化。方案1的整体机械化水平更高,现场作业人员工作环境更好,工作劳动强度更低。

虽然在联巷、切巷等施工时掘进方案1没有掘进方案2灵活,但是考虑到9503运输巷掘进长度可达5 000 m,直巷掘进效率直接影响采面巷道施工效率,因此,综合比对分析后,确定9503运输巷掘进选用方案1,即采用EJM340锚掘一体机+MZHB5-1200/25锚杆转载机+DZQ100/100/40带式转载机+DWZY1000/1200自移机尾组合配套方式进行掘进。

3 掘锚参数设计及工程应用分析

3.1 掘锚参数设计

9503运输巷使用掘锚一体机连续掘进工艺,因此应合理分配掘锚一体机、锚杆转载机围岩支护任务,在确保围岩稳定基础上提升支护效率。在正常掘进时,锚杆及锚索支护任务分配情况如图3所示。其中顶板①、③、⑤、⑦锚杆及锚索(一排两根),巷帮上部的①、②锚杆均由掘锚一体机负责施工,具体如图3(a)所示;顶板②、④、⑥锚杆及巷帮下部的③、④锚杆由锚杆转载机负责施工,具体如图3(b)所示。采用上述分配方式时可实现掘锚一体机与锚杆转载机平行作业。

图3 锚杆及锚索支护任务分配情况(单位:mm)

3.2 工程应用分析

依据9503运输巷掘进安排,采用掘锚一体机掘进时单个掘进循环耗时平均为30 min,矿井采用“三八”作业制,每天有2个生产班组,结合有关生产指标计算得到巷道月平均掘进进尺可达到583 m,具体掘进指标如表3所示。

表3 巷道掘进指标

4 结 语

为实现9503运输巷快速掘进、解决矿井采掘接替紧张局面,提出在巷道掘进中引进掘锚一体机,并对掘锚一体机应用时连续运输、间断运输掘进方案进行分析,并从掘进效率、机械化程度等方面对掘进方案进行优选,最终确定将连续运输掘进方案应用到9503运输巷掘进中。

巷道掘进时综合使用的掘进设备为EJM340锚掘一体机+MZHB5-1200/25锚杆转载机+DZQ100/100/40带式转载机+DWZY1000/1200自移机尾组,通过对锚掘一体机、锚杆转载机合理分配支护任务实现平行作业,提升了巷道围岩支护效率。工程应用后,9503运输巷月掘进进尺可达到583 m,实现了巷道快速掘进的预期目标。