巖巷掘運噴一體化快速施工技術(shù)探究
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摘要：以草垛溝煤業(yè)8101回風巷為研究對象，進行了大斷面巖巷掘運噴一體化快速施工技術(shù)與裝備研究。從優(yōu)化支護參數(shù)、改進施工工藝、采用新型施工設(shè)備等方面實現(xiàn)掘運噴一體化高效平行作業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)與裝備提高了巖巷掘進效率、縮減了掘進成本，取得顯著應(yīng)用成效。
關(guān)鍵詞：掘運噴一體化中深孔爆破注漿錨索
18101工作面概況
山西煤炭進出口集團左云草垛溝煤業(yè)行政區(qū)劃隸屬于大同市左云縣雀兒山鎮(zhèn)，位于大同煤田西北部，礦區(qū)總面積10.1028km2，可采儲量1910.37萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t/年，主采5號、8號、11號、14號煤層。草垛溝煤業(yè)8101工作面回風巷設(shè)計長度1650m，3‰下山施工，巷道采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護，巷道斷面為半圓拱形。巷道斷面毛寬4.76m、毛高3.88m，掘進斷面面積為16.24m2；斷面凈寬4.6m、凈高3.8m，凈斷面面積為15.21m2。該巷道建成后擔負著8101工作面開采運輸、通風、人員行走等任務(wù)。草垛溝煤業(yè)巖巷掘進工程量年均需達3000m以上，掘進速度的快慢直接影響到8101工作面的投產(chǎn)以及煤礦的長遠接續(xù)。而由于隊伍老化自然減員、裝備水平和施工工藝相對落后，巖巷掘進月進尺長期徘徊在60~80m之間，因此加快巖巷掘進速度對草垛溝煤業(yè)完成開拓任務(wù)、持續(xù)保持礦井采掘工作和安全健康發(fā)展具有重要意義。以8101工作面回風巷為研究對象，進行了大斷面巖巷掘運噴一體化快速掘進技術(shù)與裝備的研究。
2大斷面巖巷掘運噴一體化快速掘進技術(shù)與裝備研究方案
針對8101工作面回風巷的施工現(xiàn)場實況，主要從優(yōu)化支護參數(shù)、改進施工工藝、采用新型施工設(shè)備等方面，實現(xiàn)掘運噴一體化高效平行作業(yè)，提高巖巷掘進效率。
2.1優(yōu)化支護參數(shù)，提高支護效果
根據(jù)8101回風巷道巖石的特點，針對性地進行支護設(shè)計修正，將原設(shè)計排距0.8m增加到1.0m；鑒于錨網(wǎng)索主動支護的原理和作用，噴混凝土支護的被動支護效果大大弱化，將噴漿厚度由原來的100~120mm降低到80mm，以密閉網(wǎng)片為準。通過支護參數(shù)優(yōu)化提高掘進效率。2.1.1根據(jù)懸吊理論計算錨桿參數(shù)。錨桿長度L按式（1）計算：L=KH+L1+L2.（1）式中：K為軟弱巖層變化的安全系數(shù)，取1.5；H為軟巖層厚度或冒落拱高度，取0.9m；L1為錨桿嵌入穩(wěn)定巖層的深度，取0.6m；L2為錨桿在巷道外外露長度，取0.12m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計算得：L=2.07m。錨桿間距D按式（2）計算：D≤QKHγ■.（2）式中：Q為設(shè)計的錨桿錨固力，取130kN；γ為上覆巖層平均重力密度，取25kN/m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）計算得：D=1.7m。錨桿排距M按式（3）計算：M=nQ2Kγab.（3）式中：n為每排錨桿根數(shù)，取9；a為巷道掘進寬度的一半，取2.35m；b為潛在冒落拱高度，取3.5m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）計算得：M=1.4m。2.1.2根據(jù)加固拱理論計算錨桿參數(shù)。錨桿長度L'按式（4）計算：L'=N×（1.1+B10）.（4）式中：N為圍巖穩(wěn)定性系數(shù)，取1.1；B為巷道跨度，取4.5m。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）計算得：L'=1.73m。結(jié)合以往的施工經(jīng)驗和工程類比，錨桿長度取L'=2m，錨桿間距D'≤0.5L'=1.0m。2.1.3結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)以上兩種理論計算的錨桿支護參數(shù)，結(jié)合以往施工經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將錨桿間排距由原來的0.8m×0.8m優(yōu)化為1.0m×1.0m，錨桿長度取2.2m。2.1.4注漿錨索補強頂板。施工期間遇特殊地段如斷層、裂隙發(fā)育等條件變化時，可以后期補打注漿錨索以補強頂板支護。采用SKZ221/1670、長度7.2m注漿錨索，間排距為2000mm、3000mm，預(yù)緊力80~100kN。注漿錨索中空設(shè)計，使錨索實現(xiàn)了注漿管的功能，避免了傳統(tǒng)施工工藝注漿管拔出時造成的砂漿流失；注漿飽滿，砂漿可以將錨索體全長包裹錨固。掘進期間距離迎頭5m范圍內(nèi)施工注漿錨索，實現(xiàn)錨注錨索與掘進工作平行作業(yè)。
2.2采取中深孔光面爆破倒臺階施工法提高掘進效率
由于巷道斷面較大，為減小一次爆破起爆藥量，降低爆破震動危害，采用倒臺階法施工技術(shù)，分次裝藥、連線和起爆。下臺階先起爆，爆破后的巖石，作為上臺階裝藥平臺；形成良好的自由面，從而取得較好的爆破效果，提高爆破進度[1]。1）炮孔直徑、炸藥直徑：巖巷鉆爆法施工中，炸藥是決定爆破效果的重要因素，包括炸藥類型、裝藥直徑。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用煤礦許用T320型水膠炸藥。2）炮孔深度：炮孔深度主要由巷道施工巖石性質(zhì)、巷道斷面大小、循環(huán)作業(yè)方式、鑿巖機鑿巖能力及職工操作技術(shù)水平等因素決定。鑿巖機釬子每增加1m炮眼，其鉆眼速度就下降4%~10%，且鉆眼深度越大，鉆眼速度就下降得越快，特別是當炮眼深度超過2.5m左右時，由于釬子質(zhì)量增加，首先克服釬子彈性變形的沖擊功增大，排粉難度增大；其次釬桿與巖壁間摩擦力增大能量消耗增加；再者人工拔針也相對較困難。綜上所述，炮孔深度取掏槽眼深2.3m左右、輔助眼及周邊眼深2.1m，循環(huán)進尺2.0~2.1m能取得較好的爆破效果。3）掏槽方式：為了提高爆破效率，控制爆破作業(yè)時拋擲距離，防止崩壞設(shè)備，采取直眼掏槽的方式，具體做法是：為提高掏槽的爆破效果，在掏槽范圍內(nèi)打設(shè)2個眼孔，爆破期間不裝藥，形成自由面增加掏槽眼爆破效果，掏槽眼加深200mm。在保證良好堵塞的條件下，正向起爆炸藥產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體噴出較少，更多是向周圍破壞炮孔壁，安全可靠性高，因此采用正向裝藥。直眼掏槽可以實現(xiàn)多臺鉆機同時作業(yè)、深眼爆破，從而為提高掘進速度提供了有利條件[2]。實踐表明，采用上述掏槽方式，掏槽效果較好，拘槽深度均達到了2m以上。采用中深孔光面爆破技術(shù)，每班同時用3臺7655鑿巖機，搭配2.4m長鉆桿進行打眼，實行分區(qū)定人、定位、定鉆、定時間、定數(shù)量，加大循環(huán)進尺。以往采用淺眼爆破的炮眼深度為1.618m，循環(huán)進尺約1.6m。中深孔爆破炮眼深度增加到2.1~2.3m，循環(huán)進尺提高到2.0m，炮眼利用率由原來的75%提高到95%。
2.3采用調(diào)車盤配合
CTL-12/6型電機車快速出矸氣動調(diào)車盤主要由調(diào)車盤本體、氣動調(diào)車絞車、氣動操縱臺，空車推車氣缸（簡稱短缸）和重車推車氣缸（簡稱長缸）等部分構(gòu)成。調(diào)車盤的最大推力可一次推動30輛重礦車，CTL-12/6型電機車每鉤可以運輸30輛礦車，與調(diào)車盤運輸能力相匹配，傳統(tǒng)出矸效率為40車/h，調(diào)車盤配合電機車出矸效率為72車/h，采用調(diào)車盤配合電機車實現(xiàn)快速高效流水出矸，大大地提高了運輸效率。實踐證明，使用調(diào)車盤空車在耙裝機漏料口下方的定位較為精準，杜絕了傳統(tǒng)的小絞車運輸定位難的難題；使用調(diào)車盤節(jié)約施工人員，傳統(tǒng)對拉JD-1小絞車出矸作業(yè)需4~5人，而調(diào)車盤出矸只需要2人即可作業(yè)，綜合裝巖效率提高1.5~2倍，同時實現(xiàn)了出矸作業(yè)時耙裝機后無人化作業(yè)，杜絕了用人工推車調(diào)車而發(fā)生的碰傷、砸傷等人身事故，改善了勞動條件，提高了作業(yè)安全水平。2.4高效應(yīng)用遠程噴漿機遠程噴漿機由PYC6Z型混凝土噴射機與ZLD6LY型鏈斗式混凝土轉(zhuǎn)載機組成，實現(xiàn)遠距離自動上料噴漿作業(yè)，每1000m前移一次噴漿機。傳統(tǒng)的PC61-J型噴漿機每通一次耙裝機必須前移一次，一般緊跟粑裝機后尾，在噴漿作業(yè)時將耙裝機處的運輸路線阻斷，無法實現(xiàn)出矸與噴漿平行作業(yè)；使用遠程噴漿機減少了前移噴漿機的次數(shù)，同時傳統(tǒng)噴漿機需要4~5人配合人工上料，遠程噴漿機只需要2~3人配合機械上料即可完成噴漿作業(yè)，且5人可以實現(xiàn)噴漿與出矸平行作業(yè)，縮短了巷道成巷的時間，降低了職工的勞動強度、節(jié)約了人員、提高了掘進效率。
3應(yīng)用效果分析
巖巷掘運噴一體化快速施工關(guān)鍵技術(shù)與裝備在8101回風巷道進行了成功運用，通過實施中深孔直眼掏槽爆破、倒臺階施工、優(yōu)化支護參數(shù)、創(chuàng)新注漿錨索支護、構(gòu)建快速出矸作業(yè)線和高效噴漿作業(yè)線，保證了支護質(zhì)量，提高了單進水平。成功自主研發(fā)應(yīng)用粑矸機快速出矸作業(yè)線，實現(xiàn)出矸連續(xù)化，不僅使出矸效率提高87%，而且規(guī)避了以往采用電瓶車或小絞車倒車所帶來的安全隱患，實現(xiàn)了耙裝機后無人化作業(yè)。成功應(yīng)用YC6Z型液壓轉(zhuǎn)子式混凝土遠距離噴漿機、ZLD6L-Y型鏈斗式混凝土轉(zhuǎn)載機（上料機器人）、LG600-100K螺桿式混凝土攪拌器（拌料機器人），實現(xiàn)了噴漿料遠距離輸送及配料、上料自動化，實現(xiàn)了少人化作業(yè)。綜上，每個正規(guī)循環(huán)時間由原來的8.05h減少為7.10h，確保每個掘進小班均能順利完成一個正規(guī)循環(huán)，縮短了作業(yè)時間，人均月進尺達到2.4m，掘進工效提高53%，單進水平由從原來的月進60~80m提高至現(xiàn)在的月進120~160m，巖巷掘進成本由原1.98萬元/m降低至1.1623萬元/m，經(jīng)濟效益顯著。
參考文獻
[1]鄭群，楊勇剛，曹海山，等.煤巷掘探鉆抽運一體化作業(yè)線研究及應(yīng)用[Z].2020-11-28.
[2]曹靖云.井下鉆、掘、運設(shè)備一體化改造在煤礦中的應(yīng)用[J].中州煤炭，2014（12）：78-80.
作者:張利兵 單位:山西煤炭進出口集團左云草垛溝煤業(yè)有限公
