我国煤矿岩巷快速掘进作业线现状及其制约要素分析

余长宏,李 波,宁掌玄 ,刘晓杰,陈涛涛

(1.山西大同大学 煤炭工程学院, 山西 大同 037003;2.晋能控股煤业集团 同忻煤矿山西有限公司, 山西 大同 037038)

改革开放以来,我国煤矿因岩巷掘进困难,逐渐取消了岩石集中巷,导致国有重点煤矿的全岩巷道占巷道年掘进的比例不足10%. 20世纪80年代前后,我国煤矿岩巷掘进以钻爆法为主,每月掘进进尺维持在60 m左右。21世纪以来,我国为了提高采矿效率和安全性,大量引进国外先进采掘设备,煤矿每年新掘进巷道中岩巷的占比逐渐提升至20%左右,岩巷的平均月掘进量提升到100 m左右。但是,相较煤巷的月掘进量,岩巷的月掘进量还存在很大提升空间。因此,为了解决岩巷掘进中遇到的问题,推进岩巷掘进的智能化建设,对现阶段煤矿岩巷掘进作业线进行了科学分析,归纳了限制其发展的因素,展望了煤矿岩巷掘进的发展趋势。

1 现有煤矿岩巷快速掘进作业线分析

1.1 钻爆法掘进作业线

由于悬臂式掘进机有限的破岩能力以及全断面掘进机(TBM)在软岩和破碎岩层中的低效率问题,钻爆法掘进作业线仍然是岩巷掘进的主要施工方式之一。钻爆法掘进作业线的破岩原理是利用装入钻孔中的炸药爆炸时产生的冲击波及爆炸物做功来破碎巷道岩层,然后对破碎的煤岩进行清理和采取。钻爆法掘进作业线可细分为凿岩机配合装岩机作业线和凿岩台车配合侧卸装岩机作业线(图1)两种类型。凿岩台车配合侧卸装岩机作业线的工序流程一般包括以下几个步骤:1) 布置现场,确定施工范围并安装设备。2) 使用凿岩台车在预定位置进行钻孔作业。3) 将爆破剂装入钻孔。4) 连接导火索和起爆器。5) 对现场环境和钻孔进行综合检查,确保人员和周围设施的安全。6) 点燃导火索或启动起爆器。7) 进行前探梁临时支护。8) 通过装岩机清除矸石。9) 进行锚杆锚索支护。

图1 凿岩台车配合侧卸装岩机作业线示意图

煤矿岩巷掘进中常用的凿岩机型号有YT7655、YT28和YT29等,常用的凿岩台车型号有CMJ2-17、CMJ2-18、CMJ2-27等[1]. 表1为4种凿岩设备的性能对比,通过表1可以发现,凿岩机和凿岩台车都适用于硬岩巷道掘进,但是两者间的冲击功有很大的差异,冲击功越大凿岩速度越快。

表1 凿岩设备性能对比表

周述峰等[2]对凿岩台车和气动凿岩机在嵩县山金矿业的应用效果进行了对比,结果表明,CYTJ45B凿岩台车的钻进速率大约是YT28气动凿岩机的6.3倍,单个作业面的凿岩耗时仅为气动凿岩机的25%. 由于煤矿存在瓦斯与粉尘等问题,限制了一部分凿岩台车的应用,因此煤矿凿岩台车的应用比率远低于金属矿山。马力等[3]在祁东煤矿对CMJ2-18凿岩台车和YT7655凿岩机的应用效果进行了对比,结果表明,YT7655的钻孔速度为0.2～0.3 m/min,CMJ2-18的钻孔速度为1.3～2.1 m/min,大约提升了6.5倍;YT7655的施工人数是6—8人,CMJ2-18的施工人数仅为2人。煤矿岩巷断面的尺寸普遍较小,且设备繁多,不适合使用较大的凿岩台车进行开采,限制了凿岩台车在煤矿岩巷掘进中的应用。

钻爆法掘进作业线可以适用于各种不同类型的煤矿岩巷,特别是在普氏硬度系数f>8的岩巷掘进中效果更为明显,操作简单,具有较高的灵活性;缺点是巷道成形质量较差,炮眼利用率较低,超挖量大,而且工序繁杂,需要的工人数量较多。该作业线适用于巷道短、地质条件较复杂的岩巷掘进。

1.2 悬臂式综掘机掘进作业线

煤矿岩巷采用的悬臂式综掘机掘进作业线主要由重型悬臂式掘进机、临时支护设备、单体或机载锚杆钻机、带式输送机等设备组成,该作业线的平面示意图见图2. 悬臂式综掘机掘进作业线的工序流程一般包括以下步骤:1) 对巷道进行支护、通风等预处理。2) 安装悬臂式综掘机及相关辅助设备。3) 设置初始起点并确定掘进方向和坡度。4) 启动悬臂式综掘机,掘进一刀然后关闭悬臂式掘进机。5) 通过桥式转载机和带式输送机将矸石运出巷道。6) 支护加固:进行临时支护;进行锚杆锚索支护。7) 对悬臂式综掘机及辅助设备进行定期维护保养。悬臂式综掘机掘进作业主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度的5%～10%)的特点,靠切削与弯断破碎岩体,具体来说,是通过截齿对作业面进行高强度的切削、钻进等作业使岩层发生断裂和变形来破碎煤岩。

图2 悬臂式综掘机掘进作业线示意图

经过50多年对国外掘进技术的引进与吸收,国产各种类型的掘进机已经满足了市场的需求,但总体性能参数偏低,元部件的可靠性、截割方式等核心技术方面仍有较大差距。目前,国内生产的重型掘进机可经济截割岩石硬度普遍小于100 MPa,局部最大截割岩石硬度普遍小于130 MPa,国产重型悬臂式掘进机的性能对比见表2.

图3为EBZ318 H型掘进机截割效率曲线图[4],由图3可知,EBZ318 H型掘进机在普氏系数小于8的岩巷中掘进时,切割用时控制在90 min内,截齿消耗量控制在0.5个/m. 图4的柱状图为不同岩层普氏系数下截齿的消耗量。通过图3和图4可以看出,当岩层普氏系数大于8后,切割时间和截齿消耗量都将成倍增加。由此可知,岩层普氏系数大于或等于9时,该机型无法实现经济截割。通过Origin软件的曲线拟合功能,制作了截齿消耗量的拟合曲线图(图4),分析了该曲线的拟合公式:

图3 EBZ318H型掘进机截割效率曲线图

图4 截齿消耗量柱状图和拟合曲线图

y=y0+Aexp(R0x)

(1)

该公式为指数函数,其中,y0为y的初始值,代表截齿的消耗量,y0=0.033 13±0.028 1;A是增长率,A=0.001 71±5.649 7;R0是增长常数,R0=0.692 36±0.031 8;x代表岩石的普氏系数;拟合公式的COD值为0.999 61,表明该公式的拟合效果很好。通过拟合公式,得出当f分别为11和12时,截齿的消耗量将会达到3.51个/m和6.98个/m. 由此可以折射出一个现象,目前掘进机对岩巷的适应性还有所欠缺,尤其是截齿对岩巷的适应性,这会严重阻碍掘进机在岩巷中的推广应用。

掘进机开采特点是掘进效率高,巷道成形质量好,煤层损失量少,采用液压驱动,降低了掘进成本。此外,掘进机可以通过更改钻头类型来掘进不同类型的岩层,进一步提高掘进效率。掘进机在开采普氏系数大于12的岩层时,经常会出现截齿易磨损、断裂等问题,进而导致掘进机损坏。目前,掘进机的研究方向主要集中在智能截割技术、远程智能监控技术、智能导航技术和智能协同控制技术等4个方面[5]. 在掘进机截齿的研究上,主要集中在截齿材料、结构和加工技术等方面。

1.3 TBM掘进作业线

作为世界上最先进的岩巷掘进作业线,TBM实现了掘进、支护、出渣、通风除尘等施工工序的同步作业。TBM的主要组成部分包括刀盘、刀盘支撑装置、推进系统、机架、除尘系统等,其结构示意图见图5.

TBM掘进作业线的工序流程一般包括以下步骤:1) 开展原地掏槽工作。2) 将TBM安装在原地掏槽完成的平面上,并进行校准和系统检查。3) 将TBM推入掘进孔中,通过旋转刀盘和刀架上的刀具对岩体进行切削,同时使用螺旋输送机将挖掘出的岩屑和煤渣从掘进孔中排出。4) 进行断面支护和煤尘控制等。5) 定期对TBM及相关设备进行检修和维护。TBM掘进作业线主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体,并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。

近年来,随着TBM结构的优化,TBM逐渐在煤矿巷道建设中得到推广试用,表3是TBM在我国煤矿中的部分试用案例[6]. 根据试用情况分析,TBM作业线的掘进速度是钻爆作业线的3～10倍,是综掘作业线的2～8倍,TBM的施工成本约0.9万元/m,约是钻爆作业线施工成本的42.86%[7]. 根据这些试用案例得出了影响TBM掘进的一些因素[8]:1) 岩体完整性:当岩体完整性小于0.35时,顶板容易发生坍塌、失稳。2) 岩石普氏系数:适用于岩石普氏系数f在3～15的中硬-坚硬岩层掘进。 3) 巷道埋深:煤矿巷道的埋深越大,TBM的适应性越差。4) 地下水:不易探明的地下水严重阻碍了TBM的掘进速度。

表3 TBM在我国煤矿中的部分试用案例表

TBM在适宜的地质条件下具有比钻爆法掘进作业线和悬臂式掘进作业线更高的掘进效率和更低的风险水平。此外,由于TBM的自动控制水平比较高,操作人员可及时掌握掘进数据、地质情况和TBM的机械状态,从而使得掘进过程中的误差和偏差得到及时纠正,保证了巷道掘进质量。煤矿岩巷的断面相对于隧道工程普遍较小,而且还要做到“逢掘必探”,这就增加了TBM的设计难度。文献[9]还指出TBM需要挖掘一定长度的巷道才能证明其成本,如果巷道长度小于2.5 km时,使用TBM并不是最经济的选择。

不同岩石硬度需要使用不同的工具和方法来进行破岩。具体适用性如下:1) 软岩可以使用悬臂式综掘机等切割式的工具。2) 中硬岩可以使用TBM等钻进和冲击配合的方式。3) 对于硬岩来说,钻孔和爆破是最常用的方法。

通过上述分析可列出3种作业线的参数对照表,见表4[10-12].

表4 3种作业线参数对照表

2 临时支护装置的研究现状

2.1 前探梁临时支架

前探梁临时支架由钢管、吊环以及方木组成,多用于钻爆法掘进工作面。使用时,将吊环固定在迎头工作面前3排锚杆托盘上,然后将前探梁穿进吊环内且至少贯穿两个吊环,最后将方木穿进前探梁上部。该支护方式为被动支护,对顶板没有初撑力,且接触面积小,需人工移动,可靠性差。前探梁临时支护装置平面图见图6. 高宝安等[13]在提出的新型前探梁临时支护装置中使用固定调节装置代替传统的吊环,使前探梁距离顶板的距离由200～250 mm缩短至30～60 mm,同时增强了前探梁在18°～25°倾斜巷道中的适应性。

图6 前探梁临时支护装置平面图

2.2 单体支柱加横梁式临时支架

该支护方式为被动支护,需要人工在空顶下作业,且操作复杂,劳动强度大,支护效率低,不能贴近迎头支护导致顶板暴露时间过长,从而造成顶板冒落、掉矸,主要应用在钻爆法掘进工作面。单体支柱结构示意图见图7. 张倩[14]研制了DWL型临时单体液压支柱,该支柱的外筒、活塞等零部件采用玻璃钢材质,大幅降低了支柱重量。近年来,对单体支柱的研究向着轻型化方向发展,同时,还加大了对环保介质和智能密封检测系统的研发投入。

图7 单体支柱结构示意图

2.3 机载式临时支架

机载式临时支架(图8)是在悬臂式掘进机的掘进臂上方加装了可升降的支撑支架,在掘进机停止掘进时,支撑支架负责空顶区的支护工作,掘进和支护交替作业。金峰等[15]对掘锚机机载临时支护机构进行改进设计,增加了前探支护功能和锚网吸附结构,增大了支架的支护面积,加强了对锚网的吸附能力。该类型支架可及时对顶板进行支护,操作简单便捷,且节省了工序转换时间。但该装置对顶板施加的初撑力小于自移式临时支架,且初撑面积有限,还存在反复支撑顶板现象,不利于稳定性差的顶板支护。

2.4 自移式临时支架

自移式临时支架主要应用在悬臂式综掘机掘进工作面,可分为迈步式临时支架和履带式临时支架。迈步式临时支架(图9)是依靠滑轨和液压油缸实现支架的自动前移,通过双向液压立柱完成顶板支护。该支架分为主、副两套支架,支护时,两套支架同时支撑巷道;行走时,主(副)支架收缩,副(主)支架继续支撑巷道,主(副)支架在液压油缸的推动下,通过导轨实现前移。王东杰等[16]设计了一种适用于自移式临时支架的胡克铰,分散了铰接处的应力分布,提高了支架的整体安全性。迈步式支架存在反复支撑、碾压顶、底板现象,容易对顶、底板造成二次伤害。

图9 迈步式临时支架示意图

履带式临时支架主要依靠履带等行走机构完成前移动作。李荣丽[17]运用负荷传感技术和电比例技术组建了阀控系统,实现了履带式超前支护液压装置的无极调速。李瑞等[18]设计了一种基于履带支护车的自移式临时支架,同时针对底板地质条件不均匀和支撑立柱处于不同基准面的现状采用异步耦合调平控制方法进行梁架调平,该方法的同步误差值控制在±1 mm范围内,相较于模糊PID控制缩短了±3 mm. 履带式支架虽然避免了对顶板的反复支撑,但对于破碎顶板的支护能力还有待提升。

综上所述,对4种临时支护方式进行对比分析,见表5.

表5 临时支护方式对比表

3 煤矿岩巷作业线配套选型方法

钻爆法掘进作业线:凿岩台车将成为岩层普氏系数为15～18的巷道掘进的主要方式。因此,针对上述限制因素提出以下展望:1) 优化凿岩台车的掏槽方式,减少掏槽数量的同时增加凿岩台车对巷道断面的适应性。2) 加快提升高精尖设备的防爆水平,使高性能凿岩台车尽快投入到煤矿巷道的建设中。

悬臂式掘进机掘进作业线:由于该作业线适应性强,可以布置在岩体完整性较小、岩层普氏系数小于13的岩巷掘进,为了增加作业线的经济性,截齿材料和耐磨涂层材料的研发至关重要,使截齿的经济截割硬度达到130 MPa.

TBM掘进作业线:TBM掘进作业线将成为岩层普氏系数在3～15的长距离巷道掘进的主要方式,且需要岩体完整性较好。因此,该作业线还需要在探测技术方面做进一步研究。

4 结 语

岩巷单轴抗压强度范围广,单一作业线很难适应不同条件下的岩巷掘进,因此,针对不同的地质条件,选取合适的作业线才能达到最佳的经济效果。现阶段,钻爆法掘进作业线、悬臂式掘进机掘进作业线和TBM掘进作业线都需要进一步研究改善,才能更好地解决采掘失衡和掘支失衡的难题。