高抽巷综合机械化快速掘进技术研究与应用

罗明坤

(潞安环保能源开发股份有限公司 漳村煤矿,山西 长治 046204)

随着开采深度的不断增加,巷道地应力也随之增大,围岩的相对强度也增加[1-3],使炮掘时掘进难度加大,效率降低[4-6].在高瓦斯矿井,为解决工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯积聚问题,通常采用在工作面煤层顶板布置走向高抽巷进行瓦斯抽采[7-9].因此,高抽巷一般为全岩巷道,在岩巷施工过程中采用传统炮掘施工效率低下[10],严重制约矿井的采掘衔接,同时岩巷炮掘掘进工作量大、工人劳动强度高[11,12]、安全系数低[13].为了提高工作面的掘进速度和效率,需要引进综掘设备[14-16],因此对在综合掘进下提升巷道掘进速度的研究有重要的意义.

针对以上问题,潞安集团漳村煤矿引进综合机械化掘进设备EBZ-280A,基于3DEC离散元数值分析软件,以2603高抽巷为背景建立2603工作面开采模型,和掘进研究工作面开采导致的顶板离层和垮落范围,确定巷道合理掘进层位,并制定一套针对综掘的施工工艺,对岩巷快速掘进的施工方式进行了研究,最后成功进行现场实践.研究结果对相同地质条件下的巷道机械化掘进提供经验与技术支撑.

1 工程概况

2603高抽巷西侧为2603运巷,两条巷道平行布置,南侧为26皮带巷,北侧为井田边界,东侧为实体煤.2603工作面切眼长度为300 m,工作面可采长度1 158 m,设计运输巷道长度1 228 m,风巷1 200 m,高抽巷1 228 m,可采储量305万t.2603工作面煤层平均厚度6.53 m,煤层埋深525～545 m.煤层及顶底板柱状图如图1所示.

图1 2603工作面顶底板柱状图

2 影响高抽巷快速成巷的关键因素

1)地质条件.地质条件是影响高抽巷快速成巷的先决条件,若地质条件复杂则会大大影响掘进速度和成巷效果,因此高抽巷层位合理位置的选择是影响快速成巷的关键因素.

2)施工装备.掘进施工装备是实现快速成巷的重要保障.传统的掘进工艺采用崩落法施工实现破岩,利用扒岩机配合矿车或胶带等设备完成装矸和运矸工序,无法实现破、装、运的一体化作业,工效较低.掘进设备选型需要符合当前地质条件,否则容易导致机械频繁故障,严重影响连续作业.

3)作业方式.根据现场施工经验,巷道掘进过程中支护耗时所占比重达到70%,若能实现掘支一体化作业,则可优化掘进时间,提高掘进效率.

4)人员综合素质.掘进队伍的综合素质是影响施工效率的重要因素,为了保证掘进工序的安全、连贯、有序进行,需要提升施工技术人员的综合素质.

5)管理水平.高效的组织管理模式和良好的奖惩制度,能促进技术人员的安全意识、工作积极性以及各工序的衔接能力等方面得到较大的提高.

3 岩巷综合机械化快速掘进设计

3.1 合理层位选择

高抽巷瓦斯抽放的原理是将巷道布置在工作面上方的裂隙带内,随着工作面回采推进顶板逐步垮落,原始煤层中的瓦斯压力平衡状态被破坏,释放解析出的瓦斯向裂隙带渗流,并在抽放负压作用下汇集至高抽巷被抽出.因此高抽巷往往选择在距冒落带较近、裂隙发育相对较多的裂隙带下部.

3.1.1 岩石强度测试

为了得到岩石强度等物理力学参数,漳村煤矿联合中国矿业大学进行层位岩石强度测试.岩石制备成标准尺寸Ф50 mm×100 mm的岩样,岩石试样在MTS816试验机上进行强度测试,岩石试样的受压破坏示意图如图2所示.

图2 2603工作面岩石强度测试

根据岩石强度试验得到直接顶砂质泥岩的岩石硬度指数f为3～4,老顶细粒砂岩的硬度指数f为5～6,泥岩的硬度指数f为2～3.

3.1.2 工作面顶板裂隙带层位

根据漳村煤矿2603工作面岩石强度测试结果,并结合相邻工作面地质力学测试数据,3#煤层老顶岩石平均强度为53.28 MPa,硬度指数f为5～6,属于中硬岩层.依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》,厚煤层分层开采的冒落带高度可通过式(1)计算,裂隙带高度可通过式(2)得到:

(1)

(2)

式中:H冒为冒落带高度;H裂为裂隙带高度;M为各岩层厚度.

根据式(1)和式(2)得到:3#煤层回采工作面冒落带高度为煤层顶板上11～15 m,距煤层15 m以上顶板进入裂隙带,裂隙带位于煤层顶板以上15～55 m.

3DEC是一款基于离散单元法为基本理论,描述离散介质力学行为的计算分析程序.依据工作面尺寸建立3DEC模型,工作面长度260 m,两侧各留有70 m作为保护边界,以消除边界效应.数值模型长×宽×高=400 m×300 m×200 m.模型开采垮落形态如图3所示.

图3 工作面上覆顶板开采垮落形态

从图3中可以看出:3DEC模型中工作面开采完成后,顶板完全垮落,工作面两端头有悬顶,悬顶长度为10 m左右,工作面20～240 m位置顶板基本接底.上覆岩层垮落触底,冒落高度为10～15 m,裂隙带分布在顶板15～35 m位置.

结合理论计算与离散元数值分析得到:2603工作面上覆岩层冒落带和裂隙带高度分界线大约在煤层以上15 m位置,距煤层高度小于15 m为冒落带,大于15 m为裂隙带.

3.1.3 岩性对高抽巷层位选择的影响

高抽巷层位选择还与巷道岩性相关,巷道岩性的强弱直接影响高抽巷的掘进效率以及巷道的支护效果.

1)应保证锚杆(索)锚固端位于稳定的坚硬岩层中.2603高抽巷顶部采用屈服强度335 MPa,Φ22 mm×2 400 mm锚杆支护,Φ18.9 mm×5 000 mm锚索补强,为保证巷道支护可靠,因此2603高抽巷应尽可能保证巷道顶板上方2～6 m(锚杆索锚固区域)范围为坚硬稳定砂岩,确保顶板安全.

2)在保证瓦斯抽放效果、支护安全可靠的前提下,将巷道掘进区域尽可能选择在岩性为泥岩或泥质砂岩等硬度相对较低的软岩中.巷道掘进时,岩石硬度与破岩、落岩效率成正比,随着岩石硬度增高,掘进机割岩时间往往成倍数增加,巷道掘进效率大幅降低,这将影响整个工作面的圈定工期,甚至导致矿井采掘衔接失衡.

综合上述分析,以满足抽采效果为目标,以确保顶板安全为原则,兼顾掘进机截割效率,应在裂隙带下部区域选择一层锚杆索锚固端为坚硬稳定砂岩、巷道掘进区域为泥岩的层位布置高抽巷,结合临近2601工作面高抽巷布置经验,2603高抽巷拟布置于裂隙带下部,即3#煤层顶板往上15～18 m位置.

3.2 巷道断面及支护优化

3.2.1 巷道断面优化

根据EBZ-280A掘进机机身尺寸(铲板宽2.6 m,截割头水平放置最高点2.3 m),结合巷内掘进各系统设施(皮带、风筒、吊轨、管路)布置,同时为防止掘进机出现故障,巷道断面需同时满足皮带安装及单轨吊通行,以便于大尺寸部件运输.最终将巷道宽度确定为3.9 m(单轨吊吊轨两侧各1.1 m+皮带架宽1.2 m+皮带距帮0.5 m);巷道高度确定为3.3 m(单轨吊吊轨距顶0.7 m+距底2.6 m).

3.2.2 巷道支护优化

2603高抽巷岩巷综掘试验采用屈服强度335 MPa,锚杆直径22 mm,螺纹部分直径24 mm,长度2 400 mm的螺纹钢锚杆支护,采用Φ18.9 mm×5 000mm锚索补强(1-0-1布置),锚杆排距1.2 m.具体支护如图4所示.

图4 巷道断面支护(单位：mm)

3.3 设备配套

3.3.1 综掘机的工作原理及性能

一般来说,综掘机利用截割头切入岩体,增加周围岩体的自由空间,利用回转液压油缸控制截割头左右摆动,按照设计截割路线使围岩发生拉伸破坏.岩石的抗拉强度远远低于其抗压强度,因此合理利用拉应力可有效地提高掘进机的破岩效率,降低功耗.

选用EBZ-280A型悬臂式掘进机,该设备可配合胶带转载机、可伸缩胶带输送机实现连续排矸.该掘进机外形尺寸:12.4 m×2.4 m×2.3 m,综掘机的最大定位截割断面可达 18 m2,截割强度不大于80 MPa,坡度±18°.该掘进机破岩能力强,截齿布置设计合理,在f<8 的岩巷可正常掘进,掘进时机身稳定,适用于2603高抽巷的快速掘进.

EBZ-280A型悬臂式掘进机综合技术参数如表1所示.

表1 掘进机综合技术参数

3.3.2 带式输送机的选择

根据现场带式输送机的使用经验,并结合相关规范,其选择通常从以下5个方面考虑:(1)满足现场地质条件及施工工艺;(2)输送能力要与掘进机的排矸能力相匹配;(3)保证输送机完全稳定,满足现场的坡度要求;(4)确保输送系统安全可靠,驱动滚筒与皮带间的驱动力要满足设计要求,并保证不小于20%的富裕系数;(5)胶带具有足够的耐磨性能和抗冲击能力.

综上,决定采用EBZ-280A掘进机割岩,QZP-160桥式转载皮带机配合DSJ-80胶带输送机运岩.

4 现场应用效果分析

4.1 综合经营指标分析对比

根据确定的岩层层位,在2603工作面上方布置高抽巷,使用EBZ-280A掘进机掘进2603高抽巷,掘进长度1 122 m.2603高抽巷综掘与2601高抽巷炮掘各项费用综合对比见表2.

表2 综合经营指标对比 元/m

由表2可以看出：采用综掘施工时,虽然巷道的支护材料费、电费、配件费这3项均高于炮掘施工的费用,但由于综掘施工效率高,工效大幅提升,所节约的人工薪酬、设备租赁(折旧)费这2项就超过了新增费用,而且综掘施工不产生火工品费用,综合各项费用综掘可节约811.05元/m,总计可节约91万元左右.

4.2 掘进效率对比

对比2601高抽巷炮掘和2603高抽巷综掘的最高月(日)掘进量、平均月(日)掘进量以及工效,如表3所示.

表3 掘进效率对比

通过表3发现,2603高抽巷岩巷综掘日均进尺6.2 m,最高日进尺达9.6 m,平均日进尺和平均月进尺较炮掘均有较大幅度的提升,成效显著.说明采用综合掘进机可以显著提高巷道施工效率,加快巷道和工作面布置,缓解煤矿采掘衔接紧张.

5 结论

1)2603高抽巷合理布置层位为裂隙带下部,即3#煤层顶板向上15～18 m处.

2)选用EBZ-280A型悬臂式掘进机,巷道布置断面宽度为3.9 m，高度为3.3 m,并在现场应用成功.

3)采用综掘机掘进最高日进尺达到9.6 m,最高月进尺达到237.8 m,对比炮掘施工,最高月进尺效率提升123.3%,解决了因高抽巷的布置影响工作面整体圈定工期及综合经营指标费用过高的问题,为高抽巷及其他岩巷的施工提供了经验和参考依据.