矿井岩巷快速掘进技术研究

刘浩宇

（山西潞安环能股份有限公司漳村煤矿， 山西 长治 046032）

引言

中国的煤炭采掘过程中多采用井工开采的方式，这是由煤炭处于地底较深的位置这一性质决定的。井工采掘过程中，多种形式的巷道涌现出来，根据巷道的位置，巷道可以大致分为岩巷和煤巷，处于煤层中的巷道称为煤巷，处于岩层中的巷道称之为岩巷。如若采掘岩巷，则不适宜选取持续的采掘机，这是因为持续采掘难以完成巷道的高效采掘，且岩石太硬，破岩需要的时间较长。通过使用持续性采煤机完成煤巷的迅速掘进，由于煤矿煤体的强度有高低之分，煤矿巷道由煤巷和岩巷组成，煤巷占比较大，然而岩巷的存在也不容忽视，所以有效提升岩巷的快速挖掘有利于提高煤矿开采的效益。综合机械化采掘方式是岩巷采掘较为常见的方式，此外，由于使用范围的差异，钻爆法也被视为岩巷采掘工作中普遍采用的方式，上述的综合机械化采掘和钻爆法区别在于各自适用的范围不同，因为钻爆法使用原理和技术难度与综合机械化采掘相比相对简单，所以本篇文章主要对综合机械化采掘进行分析研究，从而找到满足岩巷迅速掘进的办法。

1 煤矿的岩巷掘进技术探讨

近年来，我国在煤矿开采、勘探、采掘等方面的发展速度已处于世界较高水平，如煤层采掘已实现机械完全化，煤矿斜井、立井的采掘能力已经处于世界前列，并且和欧洲发达国家的采煤技术距离不断缩短，逐渐引领高水平采掘技术的潮流和风尚。然而煤矿巷道掘进技术还停留在摸索阶段，通常使用的岩巷挖掘技术为大眼爆破等速度较慢的方式。

1.1 液压钻车岩巷掘进

对于巷道采掘而言，实现机械化、自动化的工艺过程是其实现高效采掘的首要任务。在机械化采掘过程中，不同种类的采掘机要求具有不同的作业条件。采掘作业需要装岩机（侧卸式）与液压钻车相结合的方式来实现。为了避免巷道采掘速度跟不上的问题，应将两种采掘作业结合使用。装岩机的功能是把碎毁的岩石颗粒运送到工作面的外部，其在巷道采掘过程中扮演着关键作用。以效率高、能在狭小空间内移动自如及装岩能力强为主要特性的ZCD60R型号装岩机是目前较为常见的装岩机。装岩机通过装运煤矿巷道中全断面的破碎岩石，完成在采掘施工所需清除整理的碎石任务。与此同时，将溜槽、托板装置在装岩机上，能够顺畅地把毁碎的石头运输出去，以提升煤矿巷道的掘进效益。

如下页图1，大多使用液压钻机型号为CMJ17的设备和装岩机搭配作业。液压钻机型号为CMJ17的钻机使用优势为机械设备本身机身紧凑且较小，设备操作灵活，能够使得巷道的全断面采掘工作更为快速、高效。因为CMJ17 钻机使用的是双臂凿岩，其凿岩速度比较快，在通常作业情况下，采掘进尺是0.8～2.0 m/min，因此该钻机需要配备容量较大的装岩机进行搭配操作。通过液压钻机和侧卸式装岩机的搭配使用，较大程度上满足了岩巷快速采掘的需求，且具有以下几个优势：第一，完成凿岩自动化。通过使用侧卸式装岩机，很好地预防了采掘施工中可能出现的钢丝绳断裂的情况，采掘的安全性、效益得到大幅度提升。第二，装岩、掘进速度快。实际结果证实，与凿岩机（气腿式）相比，液压钻车的凿岩速度提升了三成；与耙斗式装岩机相比，侧卸式装岩机的凿岩速度显著提升了两成。第三，完成煤矿巷道全断面的掘进。全断面掘进技术可以使得煤矿巷道断面一次成型率大大提高，并且断面相对规则，为作业人员做后期支护带来更多的便利，能够成为一项优质发展的煤矿巷道采掘方式。

液压钻车采掘方法虽然已取得了较大的发展和进步，其有明显的采掘优势，然而液压钻车在运行当中还有较多的问题，比如液压钻车采掘方法无法实现煤矿巷道临时支撑的需求，造成掘进作业后产生很大的空顶距离，导致作业巷道中有极大安全隐患。

1.2 气腿式凿岩机岩巷掘进

液压钻车虽然具有诸多优势，但也存在一系列缺点，诸如难以适应地质条件，而且购买花费较高等问题。图2 展示了气腿式凿岩机，该设备与耙斗装岩机共同工作，以完成岩巷采掘工作。气腿式凿岩机特点和长处是：第一，各工序间的平行作业能够同时完成，且能够显著提升破岩的速度和效果，提升了作业效益；第二，采掘工艺相对成熟，有很好的地质条件适应能力，掘进断面的尺寸对其打眼、凿岩不会造成太大影响。第三，破岩的效益总体比较高，掘进量是30～40 m3/h，处于正常作业情况。气腿式凿岩机在井下工作过程中移动起来也较为便捷，这是因为该设备的体积较小。

图1 所示为液压钻机型号CMJ17 实图

图2 气腿式凿岩机

凿岩机（气腿式）尽管具有明显的优势，但也存在诸多缺点，其中包括机械运作中机械自动化程度较低、作业人员工作强度大、安全系数较低、没有办法满足机械化装岩要求。气腿式凿岩机的这些缺点制约着它掘进的速度，从而造成它的普适性比较差，只能用在煤矿采掘中的较小断面岩巷掘进施工。

1.3 岩巷掘进的综掘法

和上面提到的液压钻车和气腿式凿岩机这两种比较传统的掘进方式对比，岩巷掘进中的综掘法拥有更完善的机械装备，并且作业安全性和工作效率更高。在使用综掘法对岩巷进行掘进的时候，同步利用梭车把悬臂式掘进机和带式输送机工作时产生的破岩装载运输至采掘施工作业范围之外。通过综掘法提升掘进工作的总体效率及施工安全，充分展示了它掘进速度快、对巷道影响小、掘进作业时震动小、能够临时支护巷道、自动化水平较高等技术优势。所以综掘法能很好地运用在断面更大的巷道掘进中，它也将成为未来巷道掘进发展的重点技术。

与此同时，综掘法在操作中还存在一定的技术性问题，比如针对更大巷道掘进断面需求、机械设备运输较为不便、巷道掘进后的岩层较为坚硬等问题。由于综掘法的其他配备设施都比较贵，所以对技术人员的机械操作熟练程度有较高的要求。综合以上情况，综掘法更应该投入到岩层比较坚硬、巷道断面大的煤矿矿井采掘作业中。

2 岩巷掘进技术发展趋势

机械化采掘方法常常被用于岩巷采掘工作中。大体上看岩巷采掘大致划为三种：第一，使用全液压钻机完成高效煤矿岩巷掘进工作。一般地质结构正常的情况，巷道掘进的每月进尺可达到几千米以上。第二，综掘法是大断面采掘常用的方法，已逐渐成为岩巷高效采掘技术的潮流和趋势，具有一系列优势，譬如安全性能高、采掘效率高等特征。第三，气腿式凿岩机掘进技术使用在中小型矿井中，煤矿巷道月进尺能够达到几十至上百米。不同的采掘方法具有各自的优势和特点，且在采掘过程中被同时运用。岩巷采掘钻爆法在施工过程中具有一定的优势，尤其在石块碎毁时的优点尤为凸现出来，但也存在诸多安全隐患，比如爆破过程较为复杂，不确定性较强，施工过程不够安全等问题。钻爆法能够使得各种不同尺寸的断面岩巷得到顺利采掘，如德国使用的钻爆法对35 m2断面岩巷进行采掘，有很强的地质条件适应能力。和综掘法进行比较，钻爆法的掘进作业比较容易、成本低，且所需要的设备较少。钻爆法采掘、机械式采掘是岩巷采掘的两种重要方式，其中钻爆法通常被用于一些独特岩巷采掘过程中；机械式采掘法被广泛运用到实际作业过程中，应在日后大力普及和推广。综上，钻爆方法的改进对于拓展其使用空间和范围具有重要意义。