巷道快速掘进与支护工艺研究

2022-12-06

引言

煤炭资源是国家能源的重要组成部分,对推动国家工业与经济发展起重要作用。进入二十一世纪以来,我国的发展全方位提速,对煤炭企业的生产效率提出了更高的要求。我国大部分煤炭资源都埋藏在地下,开采不易,通常需要掘进巷道进行开采,巷道掘进的速度和安全性是各煤矿工作人员需要重点考虑的问题。因此研究巷道快速掘进与支护工艺,提高巷道掘进速度,缩短掘进时间,保证巷道安全稳定是很有意义的。

1.现有掘进与支护工艺

煤矿巷道掘进的发展已逐步向机械化方向进行,传统的爆破掘进法已逐步退出历史舞台,仅在部分特殊条件下才采用。目前国内常见的机械化巷道掘进方法主要有以下三种:

(1)掘进机与单体锚杆机作业法

该方法主要使用悬臂式掘进机进行掘进作业,使用单体锚杆钻进进行支护作业。由于掘进条件有限,两者不能同时作业,需要由掘进机先进行掘进,待掘进一定距离后停止掘进,由单体锚杆钻机进行钻孔,使用单锚杆进行支护,支护作业完成后继续进行掘进,如此循环。该种方法是机械化初期使用最多的方法,较之爆破法效率得到一定提升,但由于掘进与支护作业必须交替进行,制约了总体效率的提高。

(2)连续采煤机掘进法

该方法主要是一种新型多巷道同步掘进方法,其核心设备是连续采煤机,体积较小,移动灵活,有利于在多巷道进行交叉掘进作业。以两条巷道掘进为例,在一条巷道掘进一定距离后,由转运设备将连续采煤机转移到下一条巷道中继续进行掘进,此时已掘进的巷道可以进行锚杆支护,待锚杆支护完成后,将连续采煤机转移回来,继续进行掘进作业。这种作业方式利用了掘进作业完成后支护作业完成前的等待时间,使两条巷道可以实现交替掘进,显著提高了掘进效率,但该方法对巷道地质条件要求较高,且对于单条巷道的掘进并无实质性提升,因此应用范围受到一定限制。

(3)掘锚一体机掘进法

该方法采用新型掘锚一体机进行施工,可以在一台设备上实现掘进与支护两种功能,并且可以平行作业,即边掘进边支护,两者互不干扰,极大地提升了掘进效率。支护作业能够与掘进作业同步进行,及时对顶板进行支护,没有滞后性,使巷道掘进的安全性进一步提高,如图1所示。

掘锚一体机的支护方式较为简单,强度有限,不适合在大断面、深度深和围岩变形大的巷道使用,且价格比较昂贵,使用数量还不是很多。

2.巷道掘进速度的影响因素

巷道的掘进是一项系统工程,由多个环节共同组成,任何一个环节延误都会造成整个施工进度的延误。为了提高巷道掘进的效率,需要整体分析,找到影响巷道掘进速度的重要因素。

对巷道掘进速度与支护形式选择的影响首要一点是巷道所在地的地质条件。该地区地下岩石的种类、岩石层深度与厚度、煤层的分布情况直接影响掘进机掘进难度与支护方案,是制定掘进计划的前提条件。尽管地质条件对巷道掘进的影响较大,但其是天然条件,人为改变的可能性不大,在优化掘进工艺时只能作为重要参考因素。

其次需要考虑的影响因素是机械化的掘进与支护设备。先进的机械化设备固然能够提高生产效率,但在实际施工过程中,各设备间需要协同作业,不能单独地对一种设备进行选择,而要结合生产实际情况,现有设备资源,从整体角度综合考虑破岩、运岩及支护各种设备,确认好各设备间的接口,否则不仅不会提高生产效率,反而会影响掘进速度。例如在长距离坡度小的巷道中使用伸缩胶带输送机进行运岩,而在短距离坡度大的巷道中选用更灵活方便的刮板输送机进行运岩,在选择锚杆机具时,要优先选择钻孔效率高,可靠耐用的单体锚杆钻机,尽量选择新材料,高强度的锚杆,增强支护安全性。

施工工艺的选择也影响掘进速度,各工序之间的搭接作业和平行作业如何安排,如何能够实现掘支平衡是技术人员应该考虑的问题。当巷道顶板条件较好时,可以适当加大单次施工循环的掘进距离加大空顶距,便于支护作业集中进行,当巷道顶板条件不好时,应适当减小单次施工循环的掘进距离减小空顶距,保证巷道支护稳定。

施工组织和施工管理方法也在一定程度上对掘进速度有影响。混乱的组织可能会造成某些工作重复进行,某些工作无人负责,工序间的衔接时间过长,都会拖慢掘进进度。没有赏罚分明的管理制度,工人也会缺乏积极性,降低工作效率。

3.巷道掘进速度优化

在分析了影响巷道掘进速度的因素后,提出以下措施对巷道掘进速度进行优化:

(1)掘进设备选型优化

掘进机在选择时要两个方面,一是购买成本和维护成本,二是技术参数。掘进机要能够适应复杂地质条件,采高、功率、截深要满足使用要求,并具有一定的调整范围,与其他设备的接口匹配,自动化程度高。EBZ200悬臂式掘进机底盘稳定,爬坡和破岩功率高,降尘效果好,操作简便,电气系统完善,是较为合适的选择。锚杆钻机作业量大,使用时间长,应优先考虑使用可靠性和易维修性。MQP-130/3.3气动锚杆钻机以空气作为动力介质,故障率低,适用范围广,可以在巷道内配备两台及以上同时作业,减少钻孔时间。

(2)施工工艺优化

在巷道掘进过程中,占用时间最长的两项工作就是掘进作业与支护作业,是施工工艺的优化重点。

①掘进工艺优化。

掘进机在截割时进刀位置和走刀方向需要根据顶板围岩的情况进行设置,不能使用一种截割方式。当顶板围岩状况较好时,可以采用普通的中心进刀,四周刷帮走刀方式,加快截割速度。当顶板围岩破碎较多时,需要改变走刀方式,如图2所示。

应当将工作面分为两部分,从一个底角进刀,先截割1/3宽度,再从另一个底角进刀,进行剩余2/3工作面截割,这样的走刀方式可以减少空顶时间,使掘进工作更为安全。

②支护工艺优化。

支护作业在巷道掘进中占用的时间达到50%左右,减少支护作业,利用支护作业时间进行其他辅助作业能显著提高掘进速度。为了缩短掘进机等待支护的时间,可以采用弱化支护技术,即首先完成容易失稳的顶板和两顶角的锚杆安装,剩余锚杆在掘进机后10-15m处滞后安装,这样就缩短了掘进机的停机时间,提高了运行效率,使掘进作业与支护作业可以同步进行。根据现场实际经验,使用弱化支护技术后,掘进机停机时间减少了50%以上,极大地提高了掘进速度。在锚杆支护期间还可以同步进行胶带延长、掘进机及其他机电设备维护等工作,进一步提高施工效率。