范各庄煤矿快速掘进影响因素及对策

王晓辉

(开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司，河北 唐山 063109)

0 引言

随着煤矿现代化装备的应用，矿井单产效率逐年提升，对快速掘进成巷的要求越来越高，传统多面多人组织生产的方式已经不能适应高产高效的新要求，并且在生产过程中的机械化程度、现阶段使用的掘进工艺等相对于一些发达国家来说仍较为落后，严重影响了煤矿的掘进效率，其次采掘衔接紧张的问题日益突出，已成为行业亟待解决的技术管理难题，严重制约了矿井技术经济效益的提升[1-3]。目前快速掘进技术表现为机械化、自动化、无人化、智能化等四化趋势，相关单位探索了掘支平行、大断面一次成型、多工序交叉等快速掘进方案[4-6]。掘进设备配套了锚掘一体掘进机、凿岩钻孔一体机、机载/自移超前支架等装备，掘锚一体化掘进方式是当下煤矿巷道快速掘进作业中的常用掘进方法，其应用频率仅次于综合机械化掘进，该种掘进方法将锚杆支护技术作为支撑，促进掘进与支护技术联合应用过程[7-10]。自移超前支架支撑强度大，能够有效对巷道顶板进行支护，支架下方空间大等优点，共同推动了快速掘进技术的发展[11-13]。为此，针对开滦范各庄煤矿快速掘进技术的实施，需要根据地质环境、设备状态、生产工序等开展技术适用性分析研究，从而进一步提出生产线快速掘进实施方案，将为类似工程提供范例经验。

1 范各庄煤矿掘进施工概况

开滦范各庄矿业公司设计能力为400万t/a，2013年核定生产能力480万t/年。井田范围内共有7个可采煤层，煤层平均总厚度13.84 m，地面标高北部约+22～+34 m，属典型近距离煤层群开采矿井。矿井采用立井多水平集中运输大巷集中上山分区石门开拓方式，共划分为3个开采水平，现一水平(-310 m)已经回采完毕，二水平(-490 m)接近收尾，目前三水平(-620 m)为主要生产水平，矿井延深工程已经全部完工。煤层顶板岩性主要由泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩和中细砂岩构成。底板主要以砂岩和粉砂岩为主，岩性坚硬。巷道掘进工序主要是破煤、支护、运输及其他辅助工序，其中支护是最关键也是占用时间最长的一个环节。范各庄煤矿目前掘进破煤采用悬臂式掘进机，型号包括S-100，EBJ-120TP，EBZ160TY，EBJ-160SH等。支护主要采用锚网支护和金属拱形支架支护2种形式，巷道断面16 m2。原煤运输采用DSJ-800/40/2×40皮带以及SGW-40T溜子，物料运输系统采用绞车运输。与其他矿井相比，掘进设备一体化、自动化的程度低，机械化水平较低，人力消耗较高，快速掘进效率亟待提升。

2 影响掘进的主要因素

2.1 地质条件复杂

矿井可采煤层顶板以泥岩、粉砂岩和细砂岩为主，局部构造发育区域有火成岩侵入，煤层底板以泥岩、粉砂岩为主。巷道设计断面高度3.0～3.5 m，除了7号、12号煤层厚度可达3 m外，其他煤层在掘进过程中都需要挑顶破板施工，时间占比较高。全煤巷割煤时间为15～20 min，如挑顶破底每个循环割煤时间需要增加一倍甚至更多的时间。目前主要生产采区集中在二水平南五采区和三水平南二采区及三下采区，位于毕各庄向斜构造影响区，断层发育较多，在断层走向和巷道夹角较小或断层落差较大情况下，煤巷追煤的半煤岩和岩巷施工距离长，增加了掘巷成本，也影响了掘进破煤的效率以及两帮支护时间。

2.2 掘进装备落后

掘进工作面使用了大功率悬臂掘进机，但是支护工序仍然依靠单台风动锚杆钻机进行支护作业，在特殊位置如帮锚杆、帮锚索支护上仅能使用手持式帮锚杆钻机进行。破煤设备和支护设备存在较为突出的衔接困难，单台锚杆钻机完成一个锚杆的打眼、安装工序需要8～10 min，使用2台锚杆机施工，打完一排顶锚杆需要40～50 min，打设两帮支护需要约25 min，而一个循环破煤时间仅仅占用20～30 min。破煤与支护耗时比超过3，掘进机的开机率大幅度降低，严重影响了掘进效率的提升。

2.3 支护方式单一

范各庄煤矿在5、7、9、12号煤层采用锚网支护，在8、12.5号煤层采用金属拱型支架支护方式。锚网巷道中，对地应力和采动动压规律掌握不清楚，锚网支护形式比较单一，锚杆间排距、锚索的布置没有及时调整，多采用工程类比法确定支护参数，造成相应巷道支护和应力级别、服务年限不相匹配。金属拱型支架支护中，棚距为0.4～0.8 m，每循环进度较低，工序繁杂，人力投入量大，机械化水平低。支护方式、技术方案与现场施工条件不匹配进一步制约了掘进单进效率的提高。

2.4 掘进断面增大

由于回采设备尺寸逐步增大，掘进巷道断面需要满足设备使用要求，各掘进巷道断面面积从最初的9～10.4 m2逐渐达到18～22 m2，这导致了破煤、支护、运输等工序用时的成倍增加。金属拱形支架搭设从最初的15～20 min完成增加到30～40 min完成，每班循环数量降低，掘进效率提升与回采效率提升脱节，加剧了采掘衔接紧张的情况。

2.5 辅助时间及人员操作技能

辅助时间占比较高，占用较多进尺时间。掘进工作面除了正常进尺作业以外，还需要其他的辅助工序，如运料、延接管路、储运皮带、倒接电缆等，平均占用1/3的工时，不能全天达到进尺作业。人员操作技能滞后于现代装备水平。煤矿作业人员即使有准入要求的限制，但是随着各类现代化、智能化的发展速度更快，两者之间的差距逐步拉开。人员对设备的操作熟练程度存在着较大的差距，尤其是对目前超前的设备装备认识不到位，造成高科技的设备装备不能全部发挥机械化、智能化的生产能力，降低了设备使用效率。

3 改进方案

3.1 全面掌握工程地质条件

地质条件对巷道的快速掘进有着至关重要的作用，掘进速度与该区域的地质构造有着直接的关系。在完整的地质构造区域可以实现巷道的快速掘进，在地质构造复杂的地段需要放缓掘进的速度，同时地质条件超前探查有利于掌握所掘进巷道遇到的断层、破碎带等基本资料，为设计部门提供完备的资料，制定适当的支护方案，加强矿压的监测和矿压规律的探索，有利于最终形成完善的支护体系。地质探查还会超前指导现场施工，避免各类废尺废巷的出现，提高现场应变能力，对提高掘进效率起到保障作用。

3.2 改进掘进装备配套设施

目前，掘锚护一体机在部分条件优良的矿井得到了应用，明显提高了掘进效率。将锚杆台车和临时支护设备与掘进机整合也是一些科研院所的研究方向，利用这一设备将掘进破煤和支护2个工序同时进行，各设备连续运转，能够显著提高掘进效率。部分掘锚护一体机工作面月进尺达到628 m的水平，为提高掘进效率、寻求高效的配套装备提供了较好的借鉴作用。在施工条件合适的工作面引进掘锚护一体机和锚杆台车相配套应用，将破煤和临时支护以及永久支护做到平行作业，能够保证掘进机较高的开机率，提高巷道掘进单进水平。

3.3 优化支护工艺和参数

针对矿井不同水平、不同地质条件进行地应力分析，对回采巷道动压影响规律进行探索，逐步形成与工作面实际情况相匹配的支护参数，煤矿地应力的测试和分析在采面超前动压影响中取得了较丰富的成果，广泛指导了超前支护的选择和顶底板巷道的位置优化，为采掘动压灾害防治提供了重要手段，同时也为巷道的快速掘进提供了重要的参数支撑。根据矿压显现规律，适当增加或者减小锚杆间排距离，每个掘进循环进尺量适当放开，以提高掘进机的开机率，增加有效进尺时间。

3.4 提高掘进工作人员综合素质

按照煤矿“企业机械化换人、自动化减人”的总体要求，坚持巷道施工设计优化，有条件的巷道优先装备大功率掘进配套机械，同时应该定期的加强员工培训，提升员工操作技能水平和意识，减少操作设备在工作过程中出现的不必要的故障，减少维修的次数，提升先进装备的应用效率，逐步向机械化、智能化发展。

4 结语

矿井自动化、智能化以及集约化的发展，快速掘进效率低下、采掘衔接紧张等问题亟待解决。针对范各庄矿业公司影响掘进效率提升地质条件复杂、掘进装备落后、支护方式单一、掘进断面增大等各项制约因素，从全面掌握工程地质条件、改进掘进装备配套设施、优化支护工艺和人员培训等方面采取相应的对策，在范各庄煤矿的应用中实现了18 m2以上大断面岩石巷道的快速成巷掘进，解决了掘进快速施工的瓶颈问题。值得注意的是，在引进掘-支-运配套装备，提高掘进工作面平行作业效率的同时，应持续深入推进技术创新，切实做到煤矿企业掘进现场安全高效生产。