廖敬龍,劉長來,王學(xué)強(qiáng)

(陜西煤業(yè)股份有限公司,西安 710065)

巷道是煤礦井下生產(chǎn)的基礎(chǔ),擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸、通風(fēng)等重要功能,只有通暢、穩(wěn)定的巷道系統(tǒng)才能為礦井提供良好的運(yùn)行空間。隨著煤礦綜采技術(shù)裝備的快速發(fā)展,綜采工作面的開采強(qiáng)度成倍增加,使煤礦井下巷道掘進(jìn)工程量劇增,采掘接續(xù)緊張的矛盾日益突出。此外,對于一些地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井,其災(zāi)害治理要求有超前的時(shí)間和空間。例如，高瓦斯礦井需要提前抽采瓦斯，瓦斯突出礦井需要提前執(zhí)行防突措施，涌水量大的工作面需要提前進(jìn)行探放水工作等,這一切都要求加快巷道的掘進(jìn)速度,提高掘進(jìn)單進(jìn)水平,保證礦井采掘接續(xù)正常,為災(zāi)害治理創(chuàng)造時(shí)間和空間[1-2]。

陜煤集團(tuán)煤炭板塊現(xiàn)下屬8家礦業(yè)公司、36處煤礦,近年來圍繞“智能礦井、智慧礦區(qū)、一流企業(yè)”的發(fā)展目標(biāo),堅(jiān)持“資金大投入、裝備大研發(fā)、水平大跨越”,牢牢抓住巷道掘進(jìn)這一制約礦井發(fā)展的“牛鼻子”,強(qiáng)力推動巷道“三優(yōu)兩提高”工作,加快推動掘進(jìn)裝備、技術(shù)和工藝的研究與應(yīng)用,推進(jìn)智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè),著力打造連續(xù)、并行、安全的掘進(jìn)工作面[3],提高巷道掘進(jìn)的裝備水平及單進(jìn)水平,使井下掘進(jìn)施工向著高效、智能、健康的方向發(fā)展[4]。

1 各礦區(qū)概況

陜煤集團(tuán)所屬礦井分布廣泛,各礦區(qū)煤層賦存條件差異較大,根據(jù)各礦區(qū)巷道圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、災(zāi)害特征、支護(hù)參數(shù)及掘進(jìn)現(xiàn)狀等特點(diǎn)可分為四個(gè)礦區(qū),陜北礦區(qū):包括陜北礦業(yè)八礦、榆北煤業(yè)三礦;銅川-黃陵礦區(qū):包括銅川礦業(yè)四礦、蒲白新區(qū)兩礦、黃陵礦業(yè)四礦;關(guān)中礦區(qū):包括蒲白老區(qū)西固煤礦、韓城礦業(yè)四礦、澄合礦業(yè)五礦;彬長礦區(qū):包括彬長礦業(yè)五礦。目前掘進(jìn)關(guān)鍵線路工藝用時(shí)占比大約為掘進(jìn)和支護(hù)占90%,其他輔助工序占10%。

1.1 陜北礦區(qū)

陜北礦區(qū)多為近水平煤層,礦井可采煤層較多,煤層賦存條件差異較大,既有厚基巖、大埋深及薄、中厚、厚煤層同時(shí)存在,也有薄基巖、淺埋深、厚及中厚煤層為主的地質(zhì)條件,同時(shí)普遍存在水文地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層頂、底板強(qiáng)度不高的現(xiàn)象。

整體來看陜北區(qū)域順槽圍巖賦存條件較好,地質(zhì)條件簡單,多為砂巖穩(wěn)定頂板,圍巖條件好,煤層硬度大,巷道斷面大,支護(hù)設(shè)計(jì)相對簡單。掘進(jìn)用時(shí)占40%,支護(hù)用時(shí)占50%,掘支用時(shí)比約為1∶1.25。

1.2 銅川-黃陵礦區(qū)

銅川、蒲白北區(qū)主采4-2#煤層,煤厚3～9 m,順槽沿煤層底板掘進(jìn)。直接頂多為深灰-灰黑色粉、細(xì)砂巖,局部有泥巖及砂質(zhì)泥巖,厚度兩三米至十幾米,其上為淺灰-灰色中粗砂巖(小街砂巖),為穩(wěn)定性頂板。底板大部分為炭質(zhì)泥巖、含鋁質(zhì)泥巖,局部為花斑泥巖,屬于穩(wěn)定性差至較穩(wěn)定底板,遇水易膨脹底鼓。

黃陵礦區(qū)主采2#煤層,煤厚2～3 m,部分區(qū)域巷道為半煤巖巷,沿頂破底掘進(jìn)。直接頂板以細(xì)粒砂巖為主,局部為粉砂巖,老頂以灰白色-淺灰白色中-細(xì)粒砂巖為主(即K2標(biāo)志層),直接底板幾乎全部為泥巖、砂質(zhì)泥巖,易風(fēng)化,遇水易膨脹。

銅川-黃陵礦區(qū)多為近水平煤層,地質(zhì)條件較復(fù)雜,泥巖及炭質(zhì)泥巖不穩(wěn)定底板,遇水易膨脹,巷道有片幫、底鼓現(xiàn)象,部分煤層有夾矸并存在半煤巖巷道,支護(hù)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。掘進(jìn)作業(yè)用時(shí)占30%,支護(hù)作業(yè)用時(shí)占60%,掘支用時(shí)比約為1∶2。

1.3 關(guān)中礦區(qū)

關(guān)中礦區(qū)主采3#煤層、5#煤層,韓城3#煤層厚度一般5～7 m,巷道沿頂掘進(jìn),直接頂板主要為泥巖及粉砂巖,屬I類不穩(wěn)定易冒落頂板;5#煤層厚度3.5 m,巷道沿頂掘進(jìn),存在黑色泥巖偽頂,易垮落,直接頂為灰色粗砂巖、中砂巖,頂板裂隙發(fā)育,為Ⅱ類中等穩(wěn)定類頂板。澄合礦區(qū)5#煤層厚度3.5～5.0 m,煤質(zhì)松軟、強(qiáng)度較低,直接頂俗稱“五尺渣”,主要巖性為炭質(zhì)泥巖,強(qiáng)度較低,在井下潮濕空氣弱化和風(fēng)化作用下極易出現(xiàn)離層下沉、破碎墜包現(xiàn)象;底板為砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度較低,裂隙發(fā)育,遇水易膨脹。

關(guān)中礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造多,多為不穩(wěn)定易冒落頂板,圍巖條件差,巷道有起伏,片幫、底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重,巷道斷面較小,掘進(jìn)設(shè)備陳舊落后。掘進(jìn)作業(yè)用時(shí)占25%,支護(hù)作業(yè)用時(shí)占65%,掘支用時(shí)比約為1∶2.6。

1.4 彬長礦區(qū)

彬長礦區(qū)主采4#煤層,煤層厚度0.80～26.20 m,一般厚度為10～15 m,巷道沿煤層中部留頂煤留底煤掘進(jìn);偽頂多為黑色炭質(zhì)泥巖,直接頂板為較易冒落的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,基本頂為中砂巖、粗砂巖,底板一般為泥巖及鋁土質(zhì)泥巖,遇水軟化、膨脹,局部粉砂巖或細(xì)粒砂。

彬長礦區(qū)多為沖擊礦壓礦井,巷道圍巖變形量很大,掘進(jìn)迎頭及兩幫片、冒現(xiàn)象嚴(yán)重,支護(hù)設(shè)計(jì)復(fù)雜、密度大、形式多樣。掘進(jìn)作業(yè)用時(shí)占20%,支護(hù)作業(yè)用時(shí)占70%,掘支用時(shí)比約為1∶3.5。

2 各礦區(qū)快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)模式

結(jié)合各礦區(qū)的地域發(fā)展特點(diǎn)、煤層賦存條件、礦井災(zāi)害嚴(yán)重程度、人才技術(shù)裝備等,因地制宜、分類、分礦地制定快速掘進(jìn)裝備配套方案,以適應(yīng)不同條件下的巷道掘進(jìn)并發(fā)揮快掘設(shè)備效能,主要有以下五種快速掘進(jìn)模式及裝備。

2.1 全斷面掘錨一體高效快掘系統(tǒng)

在各礦區(qū)近水平、巷道起伏變化小、地質(zhì)構(gòu)造簡單、頂板中等穩(wěn)定以上、施工長度大于2 000 m,寬度5.0～6.0 m、高度3.0～4.5 m的矩形煤層巷道內(nèi),優(yōu)先推廣應(yīng)用高集成全斷面掘錨一體高效快速掘進(jìn)系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 全斷面掘錨一體快速掘進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Full-section driving-anchoring integrated rapid tunneling system

該系統(tǒng)主要采用全斷面掘錨一體機(jī)+多臂錨運(yùn)破一體機(jī)+可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+除塵系統(tǒng)的快速掘進(jìn)作業(yè)線,采用掘、支、運(yùn)并行作業(yè)三位一體的快速掘進(jìn)模式。掘錨一體機(jī)負(fù)責(zé)全斷面一次成型的掘進(jìn),同時(shí)進(jìn)行必要的一次支護(hù)；錨運(yùn)破一體機(jī)在破碎轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)完成整個(gè)的永久支護(hù)；可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)可上下、左右彎曲,搭接在自移機(jī)尾上?？蓪?shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸并行連續(xù)作業(yè),具備超前探放、數(shù)字截割、半自動錨桿支護(hù)、數(shù)字導(dǎo)向、負(fù)壓除塵、連續(xù)破碎運(yùn)輸和智能遠(yuǎn)程操控的高效一體化作業(yè),解決煤巷掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、通風(fēng)、除塵、供電、給排水、控制通訊等系列問題[5]。

目前已建成17套該快掘系統(tǒng),在15個(gè)礦井進(jìn)行應(yīng)用,在陜北礦區(qū)及黃陵應(yīng)用的較為成熟,陜北礦區(qū)平均單進(jìn)可達(dá)1 500～1 800 m,陜北礦業(yè)張家峁煤礦9月份掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到2 800 m,榆北煤業(yè)曹家灘煤礦掘進(jìn)進(jìn)尺最高達(dá)到2 020 m;黃陵礦區(qū)平均單進(jìn)可達(dá)550～650 m，黃陵二號煤礦8月份進(jìn)尺達(dá)到681 m,均突破了所在礦區(qū)單進(jìn)最高水平;單班作業(yè)人數(shù)由原來的15～20人減少至8～10人;該系統(tǒng)在蒲北、彬長、關(guān)中礦區(qū)正在進(jìn)行現(xiàn)場的工業(yè)性試驗(yàn)及設(shè)備適應(yīng)性改造,預(yù)計(jì)2021年可充分發(fā)揮設(shè)備快掘效能,大幅提高單進(jìn)水平。

2.2 掘錨護(hù)一體機(jī)+錨運(yùn)破一體機(jī)快速掘進(jìn)系統(tǒng)

針對巷道有起伏、不穩(wěn)定頂?shù)装?、片幫冒頂需及時(shí)支護(hù)、斷面相對較小、施工長度大于2 000 m的煤及半煤巖巷道,采用雙臂/四臂掘錨護(hù)一體機(jī)+多臂錨運(yùn)破一體機(jī)+可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+除塵系統(tǒng)的快速掘進(jìn)作業(yè)線[6],如圖2所示。

圖2 掘錨護(hù)一體快速掘進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Tunneling-anchoring-protecting integrated rapid tunneling system

該系統(tǒng)將縱軸式全斷面掘錨一體機(jī)改為橫軸式懸臂掘錨護(hù)一體機(jī),以解決復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道斷面成型及掘、支靈活適應(yīng)的問題,另外縱軸式懸臂的截割功率大,可適應(yīng)半煤巖巷道掘進(jìn)。

該系統(tǒng)主要施工工藝為掘進(jìn)機(jī)向前掘進(jìn)一到兩排后,錨桿機(jī)分別遙控伸到工作面迎頭,根據(jù)需要打部分頂或幫的錨桿或錨索,運(yùn)錨機(jī)在轉(zhuǎn)載的同時(shí)進(jìn)行其余錨桿或錨索的補(bǔ)打?？蓪?shí)現(xiàn)分次支護(hù)、集中支護(hù)作業(yè),大幅度提高了支護(hù)環(huán)節(jié)的作業(yè)效率,同時(shí)也具備超前探放、數(shù)字截割、負(fù)壓除塵、智能遠(yuǎn)程操控等功能[7-8]。

目前建成掘錨機(jī)+錨運(yùn)破一體機(jī)快速掘進(jìn)系統(tǒng)3套,掘錨機(jī)+兩臂錨桿機(jī)快速掘進(jìn)系統(tǒng)2套,掘錨一體機(jī)2套,在6個(gè)礦井進(jìn)行應(yīng)用。黃陵一號煤礦及二號煤礦采用此快掘系統(tǒng),月進(jìn)尺350～450 m;彬長胡家河、孟村煤礦采用四臂掘錨護(hù)一體機(jī)+兩臂錨桿臺車掘進(jìn)作業(yè)線,目前月平均進(jìn)尺已從130～150 m提高至200 m以上;銅川下石節(jié)礦及澄合董家河礦采用兩臂掘錨護(hù)一體機(jī)配合原有的單體錨桿鉆機(jī)掘進(jìn),董家河原懸臂式綜掘機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)作業(yè)線月進(jìn)尺200～300 m,目前月進(jìn)尺350～400 m,7月份月最高進(jìn)尺541 m。

2.3 護(hù)盾式智能快速掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)

針對小保當(dāng)一號礦巷道斷面尺寸大(6.50 m×4.25 m)、夾矸厚度大(0.4～2.0 m)且硬度高(f5-f7)、圍巖破碎易片幫需及時(shí)支護(hù)等掘進(jìn)難題,陜煤集團(tuán)聯(lián)合西安煤礦機(jī)械公司、西安科技大學(xué)研制了世界首套煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 護(hù)盾式智能快速掘進(jìn)機(jī)器人廠區(qū)組裝現(xiàn)場Fig.3 Assembling site for shield tunneling intelligent rapid tunneling robot system

該系統(tǒng)集掘、支、錨、運(yùn)、通風(fēng)、除塵等功能于一體,主要包括掘進(jìn)機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和Ⅱ、鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人、電液控平臺等。掘進(jìn)機(jī)器人全斷面一次截割成型,臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和Ⅱ進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),鉆錨機(jī)器人能夠人機(jī)協(xié)同完成永久支護(hù)作業(yè);具有智能定位定向、定形截割、行駛糾偏、智能運(yùn)網(wǎng)布網(wǎng)、多機(jī)器人協(xié)同控制與并行作業(yè)、遠(yuǎn)程智能監(jiān)測監(jiān)控等功能[9],實(shí)現(xiàn)了地面與井下全系統(tǒng)虛擬智能測控和一鍵啟停,破解了復(fù)雜地質(zhì)條件的大斷面巷道快速掘進(jìn)難題,提高了掘進(jìn)效率,保障了安全生產(chǎn)。

目前該系統(tǒng)已在小保當(dāng)112204工作面膠運(yùn)順槽進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),對部分系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造,日最高進(jìn)尺28 m,月進(jìn)尺可達(dá)800～1 000 m。正在進(jìn)一步研制小型化、靈活性更強(qiáng)的二代產(chǎn)品,以適應(yīng)于彬黃及關(guān)中礦區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件的智能快速掘進(jìn)。

2.4 龍門式鉆錨作業(yè)平臺

針對關(guān)中礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造多、圍巖條件差、巷道底鼓和起伏大、巷道斷面小、生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜的特殊條件,韓城礦業(yè)公司聯(lián)合韓城煤機(jī)廠、太原煤科院、西安科技大學(xué)等單位聯(lián)合研制了龍門式鉆錨作業(yè)平臺,如圖4所示。

圖4 龍門式鉆錨作業(yè)平臺地面安裝現(xiàn)場Fig.4 Assembling site for gantry drilling-anchoring working platform

該平臺采用時(shí)空立體交叉施工作業(yè)方法,綜掘機(jī)和龍門式鉆錨作業(yè)平臺交叉作業(yè),充分利用時(shí)間和空間,提高時(shí)間和空間利用率,通過掘支平行作業(yè)、集成多臂式支護(hù)作業(yè)平臺等手段,提高支護(hù)環(huán)節(jié)的作業(yè)效率,保障作業(yè)的安全性。

該龍門式鉆錨平臺主要是配合掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行交叉作業(yè),掘進(jìn)機(jī)完成割煤后退出,龍門式鉆錨平臺及時(shí)緊跟掘進(jìn)工作面進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),在臨時(shí)支護(hù)掩護(hù)下架載鉆孔系統(tǒng)實(shí)施多鉆機(jī)平行作業(yè),5～8臺液壓錨桿鉆機(jī)平行作業(yè)[10]。韓城礦業(yè)象山礦在井下應(yīng)用后,大幅度提高了支護(hù)作業(yè)效率、減少了支護(hù)作業(yè)時(shí)間、減少了人員數(shù)量，減輕了勞動強(qiáng)度,明顯提升了成巷速度,月進(jìn)尺由220～250 m提高至350 m左右。

2.5 邁步支架超前支護(hù)快速掘進(jìn)系統(tǒng)

針對近水平、地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖條件差、易片幫冒頂?shù)牟环€(wěn)定頂板等情況,黃陵礦區(qū)采用邁步支架超前支護(hù)快速掘進(jìn)系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 黃陵一號煤礦進(jìn)下掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場Fig.5 Heading site of tunneling in Huangling No.1 mine

該系統(tǒng)主要由懸臂式綜掘機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)/兩臂四臂錨桿臺車+邁步自移支架組成[11],作業(yè)時(shí)綜掘機(jī)連續(xù)向前掘進(jìn),超前支架交叉式邁步向前行走,超前支架(15～25 m)對空頂進(jìn)行臨時(shí)性支護(hù)。在掘進(jìn)機(jī)后方支架支護(hù)空間內(nèi)進(jìn)行集中支護(hù)作業(yè),支護(hù)采用單體錨桿鉆機(jī)或者兩臂/四臂錨桿臺車進(jìn)行錨桿的打設(shè)[12]。

目前黃陵一號煤礦、二號煤礦、雙龍煤礦回采巷道大部分采用此形式進(jìn)行掘進(jìn),月進(jìn)尺350～450 m。下一步研制拱形邁步式自移支架,以適應(yīng)于復(fù)雜地質(zhì)條件的拱形巷道掘進(jìn)。

3 快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)總體成效

目前陜北礦區(qū)應(yīng)用全斷面掘錨一體快掘系統(tǒng)成效顯著,銅川、黃陵礦區(qū)應(yīng)用效果也相對較好,關(guān)中、彬長礦區(qū)更適用于適用性、靈活性強(qiáng)、能及時(shí)支護(hù)的小型化快掘系統(tǒng)。各礦區(qū)通過建設(shè)不同形式的快掘系統(tǒng),掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)大幅減少,單進(jìn)水平顯著提升。

3.1 掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)

2018年底陜煤集團(tuán)所屬礦井共有掘進(jìn)工作面283個(gè),綜掘作業(yè)線基本為懸臂式綜掘機(jī)+單體錨桿鉆機(jī),炮掘工作面有72個(gè),工作面平均單進(jìn)水平為252 m/月,掘進(jìn)作業(yè)人員18 895人。2020年底所屬礦井共有掘進(jìn)工作面178個(gè),工作面平均單進(jìn)水平320 m/月，掘進(jìn)工作面減少了105個(gè),減少37.1%,如圖6所示。綜合單進(jìn)水平提高了27%,掘進(jìn)作業(yè)人員減少了18%。

圖6 各礦業(yè)公司掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)情況Fig.6 Driving face quantity of various coal mines

3.2 綜合單進(jìn)水平

目前榆北煤業(yè)快速掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)較快,現(xiàn)場應(yīng)用成熟,掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)減少了70.6%,單進(jìn)水平提高了410%,陜北礦業(yè)、黃陵礦業(yè)、澄合礦業(yè)單進(jìn)水平提高均在40%以上,陜北礦業(yè)、澄合礦業(yè)、韓城礦業(yè)掘進(jìn)工作面?zhèn)€數(shù)均減少了30%以上,如圖7所示。

圖7 各礦業(yè)公司單進(jìn)水平提升情況Fig.7 Improvement of single entry level in various coal mines

4 結(jié)語

各礦區(qū)在條件適宜情況下優(yōu)先推廣高集成全斷面掘錨一體高效快速掘進(jìn)系統(tǒng),針對不同的巷道斷面及地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,形成系列化的快掘裝備作業(yè)線,提高了礦井掘進(jìn)裝備水平,提高了礦井綜合單進(jìn)水平,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)減頭減面減人,提升了礦井綜合效益,實(shí)現(xiàn)了礦井健康良性發(fā)展。下一步將繼續(xù)總結(jié)煤礦智能快速掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),圍繞“智能自動截割掘進(jìn)、全自動鉆錨支護(hù)作業(yè)、智能監(jiān)測及故障自診斷、智能高效輔助”等方面,不斷加大投入力度,開展核心關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)研究,深化“產(chǎn)、學(xué)、研、用”融合,力爭形成一批技術(shù)先進(jìn)、行業(yè)領(lǐng)先的煤礦智能快速掘進(jìn)成熟方案。