煤巷快速掘进施工工艺及措施优化研究

钟晓阳

摘 要：为了解决巷道掘进受瓦斯赋存影响较大，巷道无法保证安全快速掘进的问题，本文結合作业区的工程地质背景，分析了影响其掘进作业的原因，并针对性地提出了采取工作面长短钻孔相结合的工作面瓦斯治理方式。现场实践表明：优化后的工艺技术有效减少了工作面瓦斯涌出量，保证了巷道安全快速掘进，具有较高的经济价值和社会价值。

关键词：掘进技术;瓦斯赋存;瓦斯治理;瓦斯涌出量;长短钻孔

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0056-03

Abstract： In order to solve the problem that roadway excavation is greatly affected by gas storage and roadway can not ensure safe and rapid excavation， combined with the engineering geological background of the operation area， this paper analyzes the reasons affecting its excavation operation， and puts forward the gas treatment method of combining long and short boreholes in the working face. The field practice shows that the optimized technology effectively reduces the gas emission of the working face， ensures the safe and rapid excavation of the roadway， and has high economic and social value.

Keywords： tunneling technology;gas storage;gas control;gas emission;long and short boreholes

近年来，随着我国煤矿企业高产高效建设步伐的加快，井下巷道内快速高效掘进作业技术快速发展。1994—2004年，原国有重点煤矿综掘程度从10.64%提高到23.77%[1]。国外先进的煤巷快速掘进设备与工艺在国内基本都得到应用，煤巷掘进机械化水平、掘进速度与工效不断提高，矿井产量、效益及安全状况得到了明显改善。但是，相对于综采技术来说，我国井下巷道内快速高效掘进作业技术还较为落后。很多煤矿企业综掘作业的速度不能满足综采作业的需求，给煤矿企业的生产作业带来了很大压力。为了保证生产，有些煤矿企业不得不扩大掘进队伍，增加掘进作业的速度。但是，由于没有选择科学有效的技术，生产作业过程中出现了很多安全和质量问题。因此，发展井下巷道内快速高效掘进作业技术，提高井下巷道内掘进速度与工效迫在眉睫。

1 常用的掘进技术

目前，我国煤矿企业经常采用的掘进技术主要是煤巷综合机械化掘进技术、连续采煤机与锚杆钻车配套技术和掘锚机组一体化掘进技术。其中，煤巷综合机械化掘进技术是目前煤矿企业中使用最广泛的技术。

1.1 煤巷综合机械化掘进技术

煤巷综合机械化掘进技术又被称为悬臂式掘进与单体锚杆钻机配套技术。该技术所配套的设备以悬臂掘进机为核心，主要由悬臂式掘进机、皮带输送机和通风设施等设备设施组成。煤巷综合机械化掘进技术最大的特点是悬臂式掘进机设计重心较低，作业过程中具有较高的稳定性，同时能适应不同的地理环境。目前，大部分掘进机系统都已采用PLC智能控制系统，有效提高了故障诊断能力和系统的整体可靠性。悬臂式掘进机及其工作状态如图1所示。

1.2 连续采煤机与锚杆钻车配套技术

连续采煤机与锚杆钻车配套技术主要依靠采煤机完成掘进作业，依靠锚杆钻车完成支护作业。该技术的原理为：采煤机和锚杆钻车交替出现在巷道中，在采煤机作业完成后，转向下一个巷道之前，锚杆钻车出现，进入该巷道开始实施支护作业。但是，由于巷道具有复杂性，大部分煤矿企业在应用该技术时需要反复调动采煤机，导致投入成本较高，系统维护困难[2]。

1.3 掘锚机组一体化掘进技术

掘锚一体化掘进技术是将在悬臂掘进机基础上发展起来的掘锚机和以连续采煤机为基础发展的掘锚机组结合成一体，达到采掘、支护作业在一台设备的支撑下完成的目的。也就是说，在开采中实行巷道掘进的同时进行支护，以提高掘进速度。但是，该技术系统的结构相对于其他系统来说更加复杂，机械设备组装困难，并且在落煤时容易引发震动，对顶板的稳定性提出了较高的要求。

2 煤巷快速掘进影响因素分析

2.1 环境因素

由于综合机械化掘进设备对地质条件的适应性较差，因此煤层顶板情况、水文条件、地质构造、瓦斯情况都会影响掘进设备的性能，导致掘进速度变慢。良好的地质条件可以有效提高掘进机的推进率，有利于掘进设备的高效运转。反之，复杂恶劣的地质条件会增加设备运行的难度，不仅不利于安全作业，而且增大了支护难度，进而影响了整个掘进作业的进度。例如：井下岩层若为硬煤层，会造成设备损耗;巷道中瓦斯或粉尘含量过高，需要在井下施工作业面排放钻孔探测地质构造，对施工造成一定的难度。

2.2 设备因素

井下掘进作业主要依靠掘进机、采煤机等设备完成，因此掘进作业中设备性能的好坏会在一定程度上影响掘进作业的速度[3]。例如，掘进机开机率低、对地质条件的适应性低、故障率高等情况都会影响掘进速度。因此，在选择掘进作业所使用的机械设备时要注意其性能的稳定性和可靠性。

2.3 人为因素

目前，掘进作业中所使用的大部分设备仍然是人为操纵的，意味着操作者的技术水平决定了掘进作业的速度和质量。水平较低的技术人员在操作设备时随意性较大，如果出现走空刀等情况，就会严重影响掘进机的工作效率。相反，水平较高的技术人员则会加快巷道掘进速度。另外，企业职工如果在上岗前没有经过系统专业的培训，对设备的操作流程不熟悉，在设备出现故障时往往无法及时排除故障，也会影响作业进度，造成工程滞后。

2.4 管理的缺陷

组织管理也是影响掘进作业的重要因素。目前，多数煤矿企业偏向于技术层面的突破，忽视了管理的重要性，导致施工作业中经常出现责任不清、奖罚不明等情况，极大地降低了井下工人的积极性，间接影响了施工的速度和质量。

3 快速掘进施工工艺优化

3.1 工程概况

河南云煤一矿22206运输顺槽设计长度为1 503 m，巷道沿二1煤层顶板掘进，巷道掘进范围内煤层厚度为0.3～6.8 m，平均厚度为3.8 m，煤厚不均。实测原始瓦斯含量在3.29～10.05 m3/t，瓦斯压强为0.1～0.9 MPa，工作面掘进时绝对瓦斯涌出量为0.1～0.5 m3/min[4]。

3.2 存在的问题

第一，河南云煤一矿22206运输顺槽瓦斯赋存高低呈区段瓦斯分布规律，沿煤层走向呈条带式高低相间分布，受煤厚、地质构造等影响较大。

第二，厚煤区及地质构造带附近瓦斯赋存较高，巷道掘进受瓦斯赋存影响较大。

第三，采用的快速掘进技术存在一定的短板。巷道掘进施工时，支护作业需要耗费大量时间，严重影响巷道的掘进速度。

第四，井下职工在上岗前专业培训力度不够，不熟悉设备的操作流程，忽视设备保养维修，一定程度上影响了施工进度，导致工程滞后。

3.3 优化措施

为保证巷道安全掘进，采取工作面长短钻孔相结合的瓦斯治理方式。同时，22206运输顺槽采用长钻孔和短钻孔相结合的加强措施，對掘进工作面前方煤层进行瓦斯抽排，可以有效减少工作面瓦斯涌出量，防止工作面揭露水力冲孔导致瓦斯异常，减少工作面前方应力。主要技术内容如下：第一，顺层钻孔控制巷道前方80 m，巷道轮廓线外上帮10 m、下帮5 m共设计11个钻孔，所有钻孔均封孔联抽（见图2）。第二，钻孔采用合成树脂+黄泥进行封孔，全程下筛管，钻孔封孔深度不小于3 m，采用Φ50 mm封孔管+Φ50 mm筛管进行封孔。第三，沿中线方向钻孔，施工至40 m和60 m位置时分别取煤样测定瓦斯含量。根据中间钻孔施工情况，调整钻孔施工参数，确定钻孔施工顺序。第四，由于巷道的地质条件和水文环境会对掘进设备造成影响，因此在开采前要预先做好勘探工作，选择适用的勘探方法，并选择条件较好的煤层，以尽量避免巷道地质条件带来的影响。第五，加强井下巷道内作业现场的管理、调度。对井下作业人员进行合理培训，培训应包括井下设备的操作使用以及安全技术培训，加强现场的生产管理[5]。同时，成立综合施工作业队伍，将各个作业线的人员统一到一个队伍里进行管理，做到统一指挥，责任到人，各个部门之间相互配合。一旦发生井下作业事故或设备故障，能及时行动，缩短反应时间，减少事故影响范围，保障井下开采的顺利进行。

3.4 实际应用效果

22206运输顺槽煤层薄厚不一，不同区段瓦斯赋存高低不同，且工作面揭露水力冲孔孔洞较多。为了减少工作面瓦斯涌出量，保证巷道正常快速掘进，采取在工作面施工长短顺层钻孔的措施。实践证明，该技术保证了巷道的快速掘进，为矿井实现采掘的正常接替奠定了基础。长短钻孔相结合提高了钻孔施工效率，一次施工控制巷道前方80 m，每次允许掘进60 m，相对短循环浅孔抽放钻孔，大大缩短了打钻施工时间。同时，该技术的应用有效减少了工作面的瓦斯涌出量和水力冲孔瓦斯的集聚[6]。

综上所述，掘进工作面长短钻孔相结合的加强措施，有效解决了高瓦斯区域工作面瓦斯治理问题，保证了巷道的快速掘进。

4 结语

为了解决巷道掘进受瓦斯赋存影响较大，巷道无法保证安全快速掘进的问题，本文结合我国煤矿巷道快速掘进技术发展现状，分析影响其掘进作业速度的4个因素，即环境因素、设备因素、人员因素和管理因素。基于上述分析，根据作业区的实际情况，针对性地提出采取工作面长短钻孔相结合的工作面瓦斯治理方式。现场实践证明：掘进工作面长短钻孔相结合的加强措施，有效解决了高瓦斯区域工作面瓦斯治理问题，保证了巷道的快速掘进，具有较高的经济价值和社会价值。

参考文献：

[1]宋合聚，郭明生，高吾斌.庚组半煤岩巷道快速掘进技术的研究与应用[J].煤矿现代化，2010（6）：51-53.

[2]张永军.浅谈煤巷快速掘进技术在煤矿中的应用[J].城市建设理论研究，2014（30）：2477.

[3]陆占金.基于坚硬煤层条件的顺层钻孔增透技术研究[J].矿业安全与环保，2020（1）：40-43.

[4]聂百胜，胡守涛，刘明举，等.顺层长钻孔预抽煤层瓦斯防突技术在潘三矿的应用[J].煤矿安全，2012（12）：120-122.

[5]侯少杰.煤矿瓦斯治理过程控制理论及应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2010：1-189.

[6]闫磊.腾晖煤矿201工作面钻孔瓦斯抽采参数数值模拟及应用[D].阜新：辽宁工程技术大学，2012：1-72.

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