岩巷掘运喷一体化快速施工技术与装备研究
时间：2023-02-08 15:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张利兵
（山西煤炭进出口集团左云草垛沟煤业有限公司，山西 大同 037100）
山西煤炭进出口集团左云草垛沟煤业行政区划隶属于大同市左云县雀儿山镇，位于大同煤田西北部，矿区总面积10.102 8 km2，可采储量1 910.37万t，设计生产能力60万t/年，主采5号、8号、11号、14号煤层。草垛沟煤业8101工作面回风巷设计长度1 650 m，3‰下山施工，巷道采用锚网喷联合支护，巷道断面为半圆拱形。巷道断面毛宽4.76 m、毛高3.88 m，掘进断面面积为16.24 m2；
断面净宽4.6 m、净高3.8 m，净断面面积为15.21 m2。该巷道建成后担负着8101工作面开采运输、通风、人员行走等任务。
草垛沟煤业岩巷掘进工程量年均需达3 000 m以上，掘进速度的快慢直接影响到8101工作面的投产以及煤矿的长远接续。而由于队伍老化自然减员、装备水平和施工工艺相对落后，岩巷掘进月进尺长期徘徊在60～80 m之间，因此加快岩巷掘进速度对草垛沟煤业完成开拓任务、持续保持矿井采掘工作和安全健康发展具有重要意义。以8101工作面回风巷为研究对象，进行了大断面岩巷掘运喷一体化快速掘进技术与装备的研究。
针对8101工作面回风巷的施工现场实况，主要从优化支护参数、改进施工工艺、采用新型施工设备等方面，实现掘运喷一体化高效平行作业，提高岩巷掘进效率。
2.1 优化支护参数，提高支护效果
根据8101回风巷道岩石的特点，针对性地进行支护设计修正，将原设计排距0.8 m增加到1.0 m；
鉴于锚网索主动支护的原理和作用，喷混凝土支护的被动支护效果大大弱化，将喷浆厚度由原来的100～120 mm降低到80 mm，以密闭网片为准。通过支护参数优化提高掘进效率。
2.1.1 根据悬吊理论计算锚杆参数
锚杆长度L按式（1）计算：
式中：K为软弱岩层变化的安全系数，取1.5；
H为软岩层厚度或冒落拱高度，取0.9 m；
L1为锚杆嵌入稳定岩层的深度，取0.6 m；
L2为锚杆在巷道外外露长度，取0.12 m。
将相关数据代入式（1）计算得：L=2.07 m。
锚杆间距D按式（2）计算：
式中：Q为设计的锚杆锚固力，取130 kN；
γ为上覆岩层平均重力密度，取25 kN/m。
将相关数据代入式（2）计算得：D=1.7 m。
锚杆排距M按式（3）计算：
式中：n为每排锚杆根数，取9；
a为巷道掘进宽度的一半，取2.35 m；
b为潜在冒落拱高度，取3.5 m。
将相关数据代入式（3）计算得：M=1.4 m。
2.1.2 根据加固拱理论计算锚杆参数
锚杆长度L"按式（4）计算：
式中：N为围岩稳定性系数，取1.1；
B为巷道跨度，取4.5 m。
将相关数据代入式（4）计算得：L"=1.73 m。
结合以往的施工经验和工程类比，锚杆长度取L"=2 m，锚杆间距D"≤0.5 L"=1.0 m。
2.1.3 结合经验数据确定优化参数
根据以上两种理论计算的锚杆支护参数，结合以往施工经验数据，将锚杆间排距由原来的0.8 m×0.8 m优化为1.0 m×1.0 m，锚杆长度取2.2 m。
2.1.4注浆锚索补强顶板
施工期间遇特殊地段如断层、裂隙发育等条件变化时，可以后期补打注浆锚索以补强顶板支护。采用SKZ221/1670、长度7.2 m注浆锚索，间排距为2 000 mm、3000 mm，预紧力80～100 kN。注浆锚索中空设计，使锚索实现了注浆管的功能，避免了传统施工工艺注浆管拔出时造成的砂浆流失；
注浆饱满，砂浆可以将锚索体全长包裹锚固。掘进期间距离迎头5 m范围内施工注浆锚索，实现锚注锚索与掘进工作平行作业。
2.2 采取中深孔光面爆破倒台阶施工法提高掘进效率
由于巷道断面较大，为减小一次爆破起爆药量，降低爆破震动危害，采用倒台阶法施工技术，分次装药、连线和起爆。下台阶先起爆，爆破后的岩石，作为上台阶装药平台；
形成良好的自由面，从而取得较好的爆破效果，提高爆破进度[1]。
1）炮孔直径、炸药直径：岩巷钻爆法施工中，炸药是决定爆破效果的重要因素，包括炸药类型、装药直径。根据现场实际情况，采用煤矿许用T320型水胶炸药。
2）炮孔深度：炮孔深度主要由巷道施工岩石性质、巷道断面大小、循环作业方式、凿岩机凿岩能力及职工操作技术水平等因素决定。凿岩机钎子每增加1 m炮眼，其钻眼速度就下降4%～10%，且钻眼深度越大，钻眼速度就下降得越快，特别是当炮眼深度超过2.5 m左右时，由于钎子质量增加，首先克服钎子弹性变形的冲击功增大，排粉难度增大；
其次钎杆与岩壁间摩擦力增大能量消耗增加；
再者人工拔针也相对较困难。综上所述，炮孔深度取掏槽眼深2.3 m左右、辅助眼及周边眼深2.1 m，循环进尺2.0～2.1 m能取得较好的爆破效果。
3）掏槽方式：为了提高爆破效率，控制爆破作业时抛掷距离，防止崩坏设备，采取直眼掏槽的方式，具体做法是：为提高掏槽的爆破效果，在掏槽范围内打设2个眼孔，爆破期间不装药，形成自由面增加掏槽眼爆破效果，掏槽眼加深200 mm。在保证良好堵塞的条件下，正向起爆炸药产生的冲击波和爆生气体喷出较少，更多是向周围破坏炮孔壁，安全可靠性高，因此采用正向装药。直眼掏槽可以实现多台钻机同时作业、深眼爆破，从而为提高掘进速度提供了有利条件[2]。实践表明，采用上述掏槽方式，掏槽效果较好，拘槽深度均达到了2 m以上。
采用中深孔光面爆破技术，每班同时用3台7655凿岩机，搭配2.4 m长钻杆进行打眼，实行分区定人、定位、定钻、定时间、定数量，加大循环进尺。以往采用浅眼爆破的炮眼深度为1.618 m，循环进尺约1.6 m。中深孔爆破炮眼深度增加到2.1～2.3 m，循环进尺提高到2.0 m，炮眼利用率由原来的75%提高到95%。
2.3 采用调车盘配合CTL-12/6型电机车快速出矸
气动调车盘主要由调车盘本体、气动调车绞车、气动操纵台，空车推车气缸（简称短缸）和重车推车气缸（简称长缸）等部分构成。调车盘的最大推力可一次推动30辆重矿车，CTL-12/6型电机车每钩可以运输30辆矿车，与调车盘运输能力相匹配，传统出矸效率为40车/h，调车盘配合电机车出矸效率为72车/h，采用调车盘配合电机车实现快速高效流水出矸，大大地提高了运输效率。
实践证明，使用调车盘空车在耙装机漏料口下方的定位较为精准，杜绝了传统的小绞车运输定位难的难题；
使用调车盘节约施工人员，传统对拉JD-1小绞车出矸作业需4～5人，而调车盘出矸只需要2人即可作业，综合装岩效率提高1.5～2倍，同时实现了出矸作业时耙装机后无人化作业，杜绝了用人工推车调车而发生的碰伤、砸伤等人身事故，改善了劳动条件，提高了作业安全水平。
2.4 高效应用远程喷浆机
远程喷浆机由PYC6Z型混凝土喷射机与ZLD6LY型链斗式混凝土转载机组成，实现远距离自动上料喷浆作业，每1 000 m前移一次喷浆机。传统的PC61-J型喷浆机每通一次耙装机必须前移一次，一般紧跟粑装机后尾，在喷浆作业时将耙装机处的运输路线阻断，无法实现出矸与喷浆平行作业；
使用远程喷浆机减少了前移喷浆机的次数，同时传统喷浆机需要4～5人配合人工上料，远程喷浆机只需要2～3人配合机械上料即可完成喷浆作业，且5人可以实现喷浆与出矸平行作业，缩短了巷道成巷的时间，降低了职工的劳动强度、节约了人员、提高了掘进效率。
岩巷掘运喷一体化快速施工关键技术与装备在8101回风巷道进行了成功运用，通过实施中深孔直眼掏槽爆破、倒台阶施工、优化支护参数、创新注浆锚索支护、构建快速出矸作业线和高效喷浆作业线，保证了支护质量，提高了单进水平。
成功自主研发应用粑矸机快速出矸作业线，实现出矸连续化，不仅使出矸效率提高87%，而且规避了以往采用电瓶车或小绞车倒车所带来的安全隐患，实现了耙装机后无人化作业。成功应用YC6Z型液压转子式混凝土远距离喷浆机、ZLD6L-Y型链斗式混凝土转载机（上料机器人）、LG600-100K螺杆式混凝土搅拌器（拌料机器人），实现了喷浆料远距离输送及配料、上料自动化，实现了少人化作业。
综上，每个正规循环时间由原来的8.05 h减少为7.10 h，确保每个掘进小班均能顺利完成一个正规循环，缩短了作业时间，人均月进尺达到2.4 m，掘进工效提高53%，单进水平由从原来的月进60～80 m提高至现在的月进120～160 m，岩巷掘进成本由原1.98万元/m降低至1.162 3万元/m，经济效益显著。
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