郜陶陶
(山西科興高平科興前和煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)
現(xiàn)代化礦井綜采設(shè)備的普遍使用使煤炭生產(chǎn)效率大幅度提高,然而,目前國內(nèi)煤巷的掘進(jìn)技術(shù)水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于機(jī)械化采煤技術(shù)[1],煤巷掘進(jìn)成為制約采掘接替的重要因素。影響煤巷快速掘進(jìn)的主要因素包括支護(hù)工藝復(fù)雜、勞動(dòng)組織低效、掘進(jìn)設(shè)備不配套等問題[2-4]。因此,煤巷掘進(jìn)是支護(hù)技術(shù)和掘進(jìn)工藝的有機(jī)結(jié)合[5],只有通過全面提升這兩方面的施工效率,使其有效配合才能實(shí)現(xiàn)煤巷的快速掘進(jìn)。本文基于常村煤礦生產(chǎn)條件,在支護(hù)技術(shù)和掘進(jìn)工藝兩方面進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了煤巷的快速掘進(jìn),有效解決了生產(chǎn)接替困難問題。
常村煤礦共有可采煤層3 層,即2#、10#、11#,2-504 工作面開采上部的2#煤層,厚度4.07 m,該礦2-504 工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)斷面19 m2,巷寬5 m,巷高3.8 m。煤層偽頂不發(fā)育,直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖,中上部夾一層煤線,厚度2~6 m,平均3.8 m,老頂為中粒砂巖,厚度3~10 m,直接底為3 m厚泥巖,老底為中粒砂巖,厚度約2.5 m,煤系地層綜合柱狀見圖1。
圖1 2-504 工作面煤系地層綜合柱狀圖
通過對現(xiàn)場施工條件進(jìn)行分析可知:①巷道施工斷面大,支護(hù)要求高;②該巷道直接頂發(fā)育穩(wěn)定,不易離層,老頂強(qiáng)度大,支撐力較好;③巷道沿頂掘進(jìn),兩幫煤層松軟,裂隙發(fā)育,幫部支護(hù)困難。
根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)支護(hù)方案如下:①頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)索梯支護(hù),單排施工錨桿6 根,規(guī)格Φ22-M24-2800 mm,施工間排距900 mm×1 000 mm,配合金屬梯形梁支護(hù),錨索單排施工1 根,位于巷道正中,間距3 m,規(guī)格Φ21.8 mm×6 300 mm,錨固層位為老頂中粒砂巖; ②幫部支護(hù)采用錨網(wǎng)梯支護(hù),兩幫各施工錨桿4 根,規(guī)格Φ22-M24-2000 mm,施工間排距110 mm×1 000 mm,配合金屬梯形梁支護(hù),其中上部對側(cè)2 根錨桿仰角30°,錨固層位為直接頂板,下部對側(cè)2 根錨桿俯角30°,錨固層位為直接底板,中部對側(cè)4 根錨桿水平施工;③所有錨桿施工預(yù)緊力不小于300 N·m,錨固力不小于120 kN;④通過斷層或頂板破碎帶時(shí),可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況補(bǔ)充施工單體錨索,巷道支護(hù)見圖2。
圖2 2-504 巷道支護(hù)
實(shí)踐證明,采用上述巷道支護(hù)方案能夠滿足巷道的支護(hù)要求。為進(jìn)一步提高支護(hù)效率,決定采用掘錨一體化技術(shù)。本次采用EBZ220 掘錨一體機(jī)進(jìn)行巷道支護(hù)。該設(shè)備是在原掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上安裝錨護(hù)裝置,在不改變其結(jié)構(gòu)的同時(shí)完成掘進(jìn)、錨護(hù)一體化功能。該設(shè)備能夠在掘進(jìn)過程中進(jìn)行機(jī)械化支護(hù),從而提高支護(hù)速度,既實(shí)現(xiàn)了前探梁支護(hù)和錨桿施工的機(jī)械化作業(yè),降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)提高安全性,進(jìn)而提高掘進(jìn)效率。EBZ220 掘錨一體機(jī)見圖3。
圖3 EBZ220 掘錨一體機(jī)作業(yè)
掘進(jìn)工藝對煤巷掘進(jìn)速度影響顯著。懸臂式綜掘機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中,需要司機(jī)進(jìn)行操控,其截割路線和速度往往由工作經(jīng)驗(yàn)決定。因此,容易出現(xiàn)滾筒重復(fù)走線、超挖或欠挖及巷道成型差等;并可能增加頂幫部擾動(dòng)次數(shù),影響空頂區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性,降低掘進(jìn)效率。因此,可以對綜掘機(jī)截割路徑進(jìn)行優(yōu)化和固化,并確定施工流程,從而提高作業(yè)速度和巷道成型質(zhì)量。
(1)截割路徑設(shè)計(jì)
通過對煤體工程力學(xué)及現(xiàn)場實(shí)際截割情況進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)斷面的煤巷S型截割軌跡,以矩形斷面對其進(jìn)行描述,即從巷道左下側(cè)開始按照滾筒直徑對斷面煤體自下而上進(jìn)行往復(fù)截割,呈現(xiàn)連續(xù)的S型;整體巷道斷面施工完成后,在巷道兩側(cè)分別從上至下進(jìn)行幫部修整,從而完成巷道整體掘進(jìn)作業(yè),截割及修整路徑見圖4。
圖4 S 型截割路徑
(2)施工流程
綜掘機(jī)S型截割工藝施工流程為: ①清理作業(yè)場地:巷道施工前,利用綜掘機(jī)鏟板清掃正頭浮煤(巖),若底板存在煤(巖)體凸起,開啟截割頭進(jìn)行平整作業(yè),清理施工場所;②縱向進(jìn)刀:調(diào)整綜掘機(jī)位置,在正頭左下角進(jìn)刀,滾筒全部進(jìn)入煤體后停刀,同時(shí)利用鏟板運(yùn)煤;③橫向進(jìn)刀:滾筒沿煤層底板自左至右截割,進(jìn)行橫向進(jìn)刀;④往復(fù)截割:當(dāng)滾筒截割至右側(cè)時(shí),上抬一定高度,進(jìn)行往復(fù)截割,上抬高度由煤體截割情況進(jìn)行確定,同時(shí)保證割下的煤塊大小適中;⑤以施工中線為基準(zhǔn),對巷道兩幫進(jìn)行修整,同時(shí)清理煤炭,進(jìn)行下一次循環(huán)。
2-504 運(yùn)輸巷沿頂板掘進(jìn),原掘進(jìn)方式為EBZ220 型綜掘機(jī)一次成型,人工施工錨桿和臨時(shí)支護(hù),作業(yè)流程見圖5。
圖5 2-504 運(yùn)輸巷原作業(yè)流程
為提高掘進(jìn)效率,確保掘進(jìn)速度,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,決定對原掘進(jìn)和支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化。即EBZ220型掘錨一體機(jī)施工,采用S型往復(fù)截割和機(jī)械化臨時(shí)支護(hù)、錨桿施工,工序如下:小循環(huán)施工6 根頂板錨桿,同時(shí)將兩幫錨桿施工完畢;中循環(huán)補(bǔ)齊肩角和底角;大循環(huán)施工頂板中部的錨索,加強(qiáng)頂板支護(hù)。具體流程如下:①現(xiàn)場交接:對設(shè)備和工作環(huán)境進(jìn)行檢查;②掘進(jìn):單個(gè)小循環(huán)為2 m;③施工臨時(shí)支護(hù):人工鋪設(shè)兩幫和頂板金屬網(wǎng),架設(shè)前探梁;④施工第一排錨桿孔,頂、幫部錨桿孔分別按照由中部向兩側(cè)和由上至下的順序施工,旋入并固定錨桿;⑤第二排錨桿孔施工,旋入并固定錨桿;⑥重復(fù)上述小循環(huán)至工班結(jié)束。根據(jù)上述工序,每班可完成3 個(gè)小循環(huán),具體工序及施工時(shí)間見表1。
表1 小循環(huán)施工工序
圖6 巷道變形觀測結(jié)果
為驗(yàn)證支護(hù)效果,需要對巷道變形量進(jìn)行觀測。本次在2-504 運(yùn)輸巷布置測點(diǎn),采用十字布點(diǎn)法利用激光測距儀對表面位移進(jìn)行觀測,觀測周期為30 天,每天觀測一次,并將巷道變形情況繪制成曲線,見圖6。由曲線圖可知,在30 天的觀測期內(nèi)頂?shù)装彘g的最大移進(jìn)量75 mm; 在8~10 天趨于穩(wěn)定,巷道左右?guī)偷囊七M(jìn)量為100 mm;在15 天左右趨于穩(wěn)定。通過巷道變形量分析可知,在巷道頂板采用錨網(wǎng)索梯支護(hù)、兩幫采用錨網(wǎng)梯支護(hù)后,巷道變形較小,趨于穩(wěn)定的時(shí)間較短,能夠滿足巷道支護(hù)要求。
2-504 運(yùn)輸巷在原掘進(jìn)工藝情況下,采用“三八”制,每天完成10 個(gè)循環(huán),單循環(huán)進(jìn)尺0.8~1.0 m,每天掘進(jìn)8~10 m;在對施工工藝進(jìn)行優(yōu)化后,每班可完成3 個(gè)小循環(huán),每個(gè)小循環(huán)進(jìn)尺2 m,單班進(jìn)尺6 m,每天可掘進(jìn)18 m。由此可見,在對掘進(jìn)和支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化后,巷道掘進(jìn)效率提升超過一倍。
1)運(yùn)輸巷頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)索梯支護(hù),兩幫采用錨網(wǎng)梯支護(hù),在遇到構(gòu)造或頂板破碎區(qū)域補(bǔ)充施工單體錨索。對巷道變形量進(jìn)行檢測可知,采用該方案后頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為75 mm,兩幫最大移進(jìn)量為100 mm,巷道變形較小,能夠滿足支護(hù)要求。
2)采用掘錨一體化技術(shù),并對綜掘機(jī)截割路徑進(jìn)行固化,優(yōu)化施工流程,巷道掘進(jìn)效率提升一倍。
3)掘錨一體化施工能夠降低施工成本,加快施工速度,減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度,可有效提高掘進(jìn)速度,同時(shí)保證施工安全。該技術(shù)可在相似地質(zhì)條件的工作面進(jìn)行推廣。