劉 輝，王建文，魏慶龍

(1.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

長期以來，我國煤礦生產(chǎn)中存在采掘比例失調(diào)、接替銜接緊張的問題，嚴(yán)重影響了煤礦的高效生產(chǎn)[1]。許多學(xué)者對巷道快速掘進(jìn)的影響因素、工藝優(yōu)化等做了大量研究，取得了很多優(yōu)秀成果[2-10]。朱現(xiàn)磊[11]等運(yùn)用因子分析法獲得了影響金莊煤業(yè)大斷面煤巷快速掘進(jìn)的4個(gè)因子，并提出了優(yōu)化對策。范明建[12]對巷道掘進(jìn)合理空頂距離的確定方法進(jìn)行了研究與應(yīng)用。王旭峰等[13]提出了以多向聚能高效破巖為關(guān)鍵技術(shù)、以支護(hù)參數(shù)及作業(yè)制度優(yōu)化為重要保障的快速掘進(jìn)技術(shù)。

提升煤巷掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)煤巷高效快速掘進(jìn)已成為煤礦生產(chǎn)目前急需解決的重要問題[14]，經(jīng)對檸條塔煤礦的掘進(jìn)工藝的具體工序用時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，分析了制約巷道快速掘進(jìn)各環(huán)節(jié)的因素。對煤巷掘進(jìn)工藝中存在的支護(hù)問題、人員組織問題等進(jìn)行了優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)煤巷高效快速掘進(jìn)，為類似工程提供借鑒。

1 煤巷巷道掘進(jìn)工藝現(xiàn)狀

1.1 工程概況

檸條塔煤礦本次快速掘進(jìn)試驗(yàn)段為S12002膠、輔運(yùn)順槽，該巷道為煤巷，煤層為2-2煤，具有瀝青光澤以半亮煤為主，煤層厚度4.0～4.6 m。煤層上覆基巖厚度90～130 m，土層厚度40～100 m。沙層厚度0～10 m，埋藏深度170～220 m，煤層賦存穩(wěn)定。直接頂為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度0～13.99 m，老頂為中、細(xì)粒砂巖，厚度4.76～23.45 m。S12002膠運(yùn)順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)4 125 m，輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)4 123 m，橫貫設(shè)計(jì)56個(gè)。

檸條塔煤礦S12002工作面巷道布置圖如圖1所示。

圖1 S12002工作面巷道布置圖

1.2 原支護(hù)方式

膠運(yùn)順槽支護(hù)：①頂錨—頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨桿采用6根圓鋼錨桿(φ18 mm×2 200 mm)，間排距為1 000 mm×1 000 mm;②單軌吊錨桿—在巷道中線偏煤柱側(cè)1 000 mm處施工單軌吊錨桿，錨桿規(guī)格為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(φ20 mm×2 200 mm)；③頂網(wǎng)—頂網(wǎng)為φ6.5 mm×140 mm×140 mm鋼筋網(wǎng)，緊貼頂板;④錨索—錨索采用1×7-17.8-1860，長7 000 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，間距4 000 mm。

輔運(yùn)順槽支護(hù)：①頂錨—頂板采用錨網(wǎng)支護(hù)，頂錨桿采用5根圓鋼錨桿(φ18 mm×2 200 mm)，間排距為1 100 mm×1 000 mm，另外在巷道中線的錨桿排間施工錨索；②頂網(wǎng)—頂網(wǎng)為φ6.5 mm×140 mm×140 mm鋼筋網(wǎng)，緊貼頂板。

1.3 工藝流程

總體施工工序：S12002工作面膠、輔運(yùn)順槽采用連采雙巷掘進(jìn)工藝。連采機(jī)割煤、梭車運(yùn)輸、破碎機(jī)轉(zhuǎn)載、膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤，兩臂錨桿機(jī)支護(hù)頂板，割煤與支護(hù)交替作業(yè)。煤巷巷道掘進(jìn)總體施工工序如圖2所示。

圖2 總體施工工序

二次拉底：S12002工作面膠、輔運(yùn)順槽一次掘進(jìn)80 m(底板預(yù)留500 mm底煤)，在延伸皮帶前從正頭開始分段后退二次拉底，完成巷道設(shè)計(jì)斷面。二次拉底后一次延長皮帶75 m，組織下一段(75 m)的掘進(jìn)。

2 煤巷掘進(jìn)速度影響因素

2.1 原工藝工時(shí)統(tǒng)計(jì)

為提升煤巷掘進(jìn)速度，對原工藝以割煤8 m，支護(hù)8排為一統(tǒng)計(jì)單元對膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷關(guān)鍵施工工序時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由上述工藝流程可知，關(guān)鍵施工工序主要分為3大部分：割運(yùn)煤、調(diào)機(jī)、頂板支護(hù)。其中頂板支護(hù)人工操作環(huán)節(jié)中：鉆眼和放藥卷安裝錨桿會(huì)因工人操作的熟練程度不同而導(dǎo)致耗時(shí)不同，故分別統(tǒng)計(jì)其最小值和最大值作為熟練和不熟練的操作時(shí)間。最后分別計(jì)算各個(gè)工序的平均用時(shí)。各工序用時(shí)統(tǒng)計(jì)情況見表1、表2。

表1 膠運(yùn)巷工序時(shí)長

表2 輔運(yùn)巷工序時(shí)長

2.2 原工藝問題分析

技術(shù)方面：①當(dāng)前錨桿支護(hù)系統(tǒng)雖能控制頂板變形，但是頂板支護(hù)錨桿數(shù)量多、密度大，施工工藝復(fù)雜，需要反復(fù)調(diào)機(jī)支護(hù)，無效工作耗時(shí)長;②礦井南翼主運(yùn)輸系統(tǒng)煤倉滿停運(yùn)，停運(yùn)時(shí)，連采機(jī)也只能停止工作，導(dǎo)致割煤時(shí)間延長；③該地質(zhì)條件下空頂距離研究不夠深入，而現(xiàn)在空頂距離較短，增加了設(shè)備來回調(diào)機(jī)的時(shí)間；④井下儲(chǔ)備配件有限，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，只能從井上運(yùn)輸，耗時(shí)長。

人員組織方面：①施工人員技能水平參差不齊，熟練人員與不熟練人員用時(shí)差別大；②交接班停機(jī)時(shí)間長，對生產(chǎn)班考核時(shí)未將割煤和支護(hù)分開，導(dǎo)致生產(chǎn)班不為下一個(gè)生產(chǎn)班創(chuàng)造條件，早班不生產(chǎn)，浪費(fèi)大量時(shí)間。

3 煤巷快速掘進(jìn)優(yōu)化對策

3.1 支護(hù)優(yōu)化

為解決頂板錨桿支護(hù)數(shù)量多、密度大、支護(hù)效率低的問題，需對頂板支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)連續(xù)梁理論：通過預(yù)應(yīng)力錨桿在頂板形成足夠厚度的錨固巖梁，可緩解變形、消除離層、避免失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)本層內(nèi)、多層間的雙向聯(lián)動(dòng)；通過增大梁厚可增強(qiáng)抗彎性能、抵抗采動(dòng)[15]，其力學(xué)簡圖如圖3所示。

a-不連續(xù)梁；b-連續(xù)梁圖3 “連續(xù)梁理論”力學(xué)簡圖

膠運(yùn)順槽錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)算：①每排錨桿數(shù)驗(yàn)算。錨桿排距為1.0 m，則每排錨桿數(shù)n為

n=L×B×∑(rh)/Rt

(1)

式中：L—巷道設(shè)計(jì)寬度，取6.0 m；B—錨桿排距，取1.0 m；r—不具備自穩(wěn)能力巖層的容重，取25 kN/m3；h—不具備自穩(wěn)能力巖層的厚度，取0.8 m；Rt—錨桿抗破斷力，取50 kN。則n=6.0×1.0×25×0.8/50=2.4根/排。

考慮其為1.3倍的安全系數(shù)關(guān)系，則每排錨桿數(shù)為n≥2.4×1.3=3.12，取n=6或4，即每排6根或4根錨桿。

②錨桿長度計(jì)算，見式(2)

L≥L1+L2+L3

(2)

式中：L—錨桿長度，m；L1—錨固段長度，取0.95 m；L2—不穩(wěn)定層厚度之和，取1.5 m；L3—錨固外漏長度，取0.05 m。得L≥2.5 m。

具體優(yōu)化措施：降低了頂板支護(hù)的錨桿的密度并改良了錨桿類型，錨桿支護(hù)數(shù)量從6根變?yōu)?根，錨桿類型從φ18 mm×2 200 mm的圓鋼錨桿改良為φ22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。改良了錨固方式并增大了錨固長度，錨固方式由端頭錨固改良為半長錨固，錨固長度由350 mm增大至950 mm。增大了錨桿排距，錨桿排距逐步從1 m變?yōu)?.2 m；統(tǒng)一了頂板網(wǎng)片型號，網(wǎng)片寬度為錨桿間距+300 mm，長度為巷道寬度的1/2+150 mm。

依據(jù)工作面設(shè)備配套情況，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和網(wǎng)片規(guī)格，減少頂板支護(hù)錨桿數(shù)量、密度，簡化施工工藝過程，減少錨桿機(jī)反復(fù)調(diào)機(jī)次數(shù)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備與斷面支護(hù)形式最佳耦合。

3.2 其它優(yōu)化

膠帶機(jī)提速改造：對南翼2-2煤、3-1煤膠帶機(jī)進(jìn)行提速改造，減少南翼主輸送系統(tǒng)停機(jī)影響，提高開機(jī)率。

最大空頂距離調(diào)整：依據(jù)煤層頂板地質(zhì)條件、相鄰工作面回采期間超前礦壓現(xiàn)象和順槽頂板垮落情況，將最大空頂距離逐步從8 m調(diào)整至12 m，提高單循環(huán)進(jìn)尺，減少設(shè)備來回調(diào)機(jī)的時(shí)間30%。

順槽橫貫改造：距離工作面正頭200 m對順槽橫貫進(jìn)行改造，設(shè)置井下設(shè)備配件材料補(bǔ)給站，減少設(shè)備故障對掘進(jìn)的影響。

制度管理：加強(qiáng)人員培訓(xùn)，提高操作技能和協(xié)調(diào)配合熟練程度；加強(qiáng)區(qū)隊(duì)內(nèi)部跟班管理，減少交接班停機(jī)時(shí)間，對掘進(jìn)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分開核算，提高生產(chǎn)效率和開機(jī)率。早班安排一定生產(chǎn)任務(wù)，制定區(qū)隊(duì)內(nèi)會(huì)戰(zhàn)考核指標(biāo)，提高生產(chǎn)積極性。

4 快速掘進(jìn)優(yōu)化效果分析

4.1 優(yōu)化后工時(shí)統(tǒng)計(jì)

工時(shí)統(tǒng)計(jì)：為分析快速掘進(jìn)優(yōu)化效果，對優(yōu)化后的膠運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽的工序時(shí)長進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表3、表4。由于優(yōu)化前的工序是一次割煤8 m，支護(hù)8排，優(yōu)化后改為一次割煤12 m，支護(hù)12排。

對比分析：為方便比較，將優(yōu)化前后的平均時(shí)間統(tǒng)一換算成割煤10 m，支護(hù)10排的平均時(shí)間，膠運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽優(yōu)化前后工序用時(shí)對比如圖4、5所示。由圖可知，在工序優(yōu)化后，膠運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽的工序總用時(shí)及各個(gè)工序的用時(shí)都有所降低。其中，膠運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽的工序總時(shí)長分別下降了18.73%和14.41%；頂板支護(hù)時(shí)間分別下降了26.98%和20.00%。工序用時(shí)降低明顯。

表3 膠運(yùn)巷工序時(shí)長

表4 輔運(yùn)巷工序時(shí)長

圖4 膠運(yùn)順槽工序優(yōu)化前后時(shí)長統(tǒng)計(jì)

圖5 輔運(yùn)順槽工序優(yōu)化前后時(shí)長統(tǒng)計(jì)

4.2 優(yōu)化后掘進(jìn)水平

提升水平：S12002工作面膠、輔運(yùn)順槽已經(jīng)將日單進(jìn)水平從35 m左右提升到50～60 m，將月單進(jìn)水平從900 m提升到1 500 m以上，創(chuàng)出了單日75 m新水平，實(shí)現(xiàn)了高效快速掘進(jìn)。

應(yīng)用效果：目前快速掘進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在檸條塔煤礦3個(gè)工作面已經(jīng)成功實(shí)施應(yīng)用9 500 m，S12002膠輔順槽和橫貫完成2 439 m，S1222膠運(yùn)順槽完成1 000 m，S1233膠輔順槽和橫貫完成2 416 m，S1230膠輔順槽和橫貫完成3 645 m。實(shí)踐表明，應(yīng)用效果良好，現(xiàn)場成巷效果如圖6、7所示。

圖6 膠運(yùn)順槽成巷效果圖

圖7 輔運(yùn)順槽成巷效果圖

5 結(jié)論

(1)頂板支護(hù)、割煤和調(diào)機(jī)為煤巷掘進(jìn)3大主要環(huán)節(jié)，原支護(hù)工藝中3大環(huán)節(jié)耗時(shí)比例為4.89∶4.19∶0.92。在保證支護(hù)強(qiáng)度的前提下，減少頂板錨桿的支護(hù)數(shù)量，改良錨固方式并增大錨固長度和排距，支護(hù)效率提高了20%，支護(hù)密度降低了30%，極大地降低了頂板支護(hù)環(huán)節(jié)的時(shí)間。

(2)高效快速掘進(jìn)工藝是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在消除各個(gè)制約環(huán)節(jié)后，將地質(zhì)條件、支護(hù)參數(shù)、裝備配套、考核機(jī)制、勞動(dòng)組織和人員素質(zhì)進(jìn)行了最優(yōu)搭配，形成了連續(xù)均衡高效的掘進(jìn)體系。

(3)在工藝優(yōu)化后月單進(jìn)水平從900 m提升到1 500 m，提升了66.7%，實(shí)現(xiàn)了高效快速掘進(jìn)，可保證接續(xù)穩(wěn)定正常。