煤矿快速掘进系统建设主要模式及应用成效

廖敬龙,刘长来,王学强

(陕西煤业股份有限公司,西安 710065)

巷道是煤矿井下生产的基础,担负着运输、通风等重要功能,只有通畅、稳定的巷道系统才能为矿井提供良好的运行空间。随着煤矿综采技术装备的快速发展,综采工作面的开采强度成倍增加,使煤矿井下巷道掘进工程量剧增,采掘接续紧张的矛盾日益突出。此外,对于一些地质条件复杂的矿井,其灾害治理要求有超前的时间和空间。例如，高瓦斯矿井需要提前抽采瓦斯，瓦斯突出矿井需要提前执行防突措施，涌水量大的工作面需要提前进行探放水工作等,这一切都要求加快巷道的掘进速度,提高掘进单进水平,保证矿井采掘接续正常,为灾害治理创造时间和空间[1-2]。

陕煤集团煤炭板块现下属8家矿业公司、36处煤矿,近年来围绕“智能矿井、智慧矿区、一流企业”的发展目标,坚持“资金大投入、装备大研发、水平大跨越”,牢牢抓住巷道掘进这一制约矿井发展的“牛鼻子”,强力推动巷道“三优两提高”工作,加快推动掘进装备、技术和工艺的研究与应用,推进智能快速掘进系统建设,着力打造连续、并行、安全的掘进工作面[3],提高巷道掘进的装备水平及单进水平,使井下掘进施工向着高效、智能、健康的方向发展[4]。

1 各矿区概况

陕煤集团所属矿井分布广泛,各矿区煤层赋存条件差异较大,根据各矿区巷道围岩性质、地质构造、灾害特征、支护参数及掘进现状等特点可分为四个矿区,陕北矿区:包括陕北矿业八矿、榆北煤业三矿;铜川-黄陵矿区:包括铜川矿业四矿、蒲白新区两矿、黄陵矿业四矿;关中矿区:包括蒲白老区西固煤矿、韩城矿业四矿、澄合矿业五矿;彬长矿区:包括彬长矿业五矿。目前掘进关键线路工艺用时占比大约为掘进和支护占90%,其他辅助工序占10%。

1.1 陕北矿区

陕北矿区多为近水平煤层,矿井可采煤层较多,煤层赋存条件差异较大,既有厚基岩、大埋深及薄、中厚、厚煤层同时存在,也有薄基岩、浅埋深、厚及中厚煤层为主的地质条件,同时普遍存在水文地质条件复杂,煤层顶、底板强度不高的现象。

整体来看陕北区域顺槽围岩赋存条件较好,地质条件简单,多为砂岩稳定顶板,围岩条件好,煤层硬度大,巷道断面大,支护设计相对简单。掘进用时占40%,支护用时占50%,掘支用时比约为1∶1.25。

1.2 铜川-黄陵矿区

铜川、蒲白北区主采4-2#煤层,煤厚3～9 m,顺槽沿煤层底板掘进。直接顶多为深灰-灰黑色粉、细砂岩,局部有泥岩及砂质泥岩,厚度两三米至十几米,其上为浅灰-灰色中粗砂岩(小街砂岩),为稳定性顶板。底板大部分为炭质泥岩、含铝质泥岩,局部为花斑泥岩,属于稳定性差至较稳定底板,遇水易膨胀底鼓。

黄陵矿区主采2#煤层,煤厚2～3 m,部分区域巷道为半煤岩巷,沿顶破底掘进。直接顶板以细粒砂岩为主,局部为粉砂岩,老顶以灰白色-浅灰白色中-细粒砂岩为主(即K2标志层),直接底板几乎全部为泥岩、砂质泥岩,易风化,遇水易膨胀。

铜川-黄陵矿区多为近水平煤层,地质条件较复杂,泥岩及炭质泥岩不稳定底板,遇水易膨胀,巷道有片帮、底鼓现象,部分煤层有夹矸并存在半煤岩巷道,支护设计较复杂。掘进作业用时占30%,支护作业用时占60%,掘支用时比约为1∶2。

1.3 关中矿区

关中矿区主采3#煤层、5#煤层,韩城3#煤层厚度一般5～7 m,巷道沿顶掘进,直接顶板主要为泥岩及粉砂岩,属I类不稳定易冒落顶板;5#煤层厚度3.5 m,巷道沿顶掘进,存在黑色泥岩伪顶,易垮落,直接顶为灰色粗砂岩、中砂岩,顶板裂隙发育,为Ⅱ类中等稳定类顶板。澄合矿区5#煤层厚度3.5～5.0 m,煤质松软、强度较低,直接顶俗称“五尺渣”,主要岩性为炭质泥岩,强度较低,在井下潮湿空气弱化和风化作用下极易出现离层下沉、破碎坠包现象;底板为砂质泥岩,强度较低,裂隙发育,遇水易膨胀。

关中矿区地质条件复杂,地质构造多,多为不稳定易冒落顶板,围岩条件差,巷道有起伏,片帮、底鼓现象严重,巷道断面较小,掘进设备陈旧落后。掘进作业用时占25%,支护作业用时占65%,掘支用时比约为1∶2.6。

1.4 彬长矿区

彬长矿区主采4#煤层,煤层厚度0.80～26.20 m,一般厚度为10～15 m,巷道沿煤层中部留顶煤留底煤掘进;伪顶多为黑色炭质泥岩,直接顶板为较易冒落的泥岩、粉砂岩、砂质泥岩,基本顶为中砂岩、粗砂岩,底板一般为泥岩及铝土质泥岩,遇水软化、膨胀,局部粉砂岩或细粒砂。

彬长矿区多为冲击矿压矿井,巷道围岩变形量很大,掘进迎头及两帮片、冒现象严重,支护设计复杂、密度大、形式多样。掘进作业用时占20%,支护作业用时占70%,掘支用时比约为1∶3.5。

2 各矿区快速掘进系统建设模式

结合各矿区的地域发展特点、煤层赋存条件、矿井灾害严重程度、人才技术装备等,因地制宜、分类、分矿地制定快速掘进装备配套方案,以适应不同条件下的巷道掘进并发挥快掘设备效能,主要有以下五种快速掘进模式及装备。

2.1 全断面掘锚一体高效快掘系统

在各矿区近水平、巷道起伏变化小、地质构造简单、顶板中等稳定以上、施工长度大于2 000 m,宽度5.0～6.0 m、高度3.0～4.5 m的矩形煤层巷道内,优先推广应用高集成全断面掘锚一体高效快速掘进系统,如图1所示。

图1 全断面掘锚一体快速掘进系统示意图Fig.1 Full-section driving-anchoring integrated rapid tunneling system

该系统主要采用全断面掘锚一体机+多臂锚运破一体机+可弯曲胶带转载机+自移机尾+除尘系统的快速掘进作业线,采用掘、支、运并行作业三位一体的快速掘进模式。掘锚一体机负责全断面一次成型的掘进,同时进行必要的一次支护；锚运破一体机在破碎转运的同时完成整个的永久支护；可弯曲胶带转载机可上下、左右弯曲,搭接在自移机尾上。可实现掘进、支护、运输并行连续作业,具备超前探放、数字截割、半自动锚杆支护、数字导向、负压除尘、连续破碎运输和智能远程操控的高效一体化作业,解决煤巷掘进、支护、运输、通风、除尘、供电、给排水、控制通讯等系列问题[5]。

目前已建成17套该快掘系统,在15个矿井进行应用,在陕北矿区及黄陵应用的较为成熟,陕北矿区平均单进可达1 500～1 800 m,陕北矿业张家峁煤矿9月份掘进进尺达到2 800 m,榆北煤业曹家滩煤矿掘进进尺最高达到2 020 m;黄陵矿区平均单进可达550～650 m，黄陵二号煤矿8月份进尺达到681 m,均突破了所在矿区单进最高水平;单班作业人数由原来的15～20人减少至8～10人;该系统在蒲北、彬长、关中矿区正在进行现场的工业性试验及设备适应性改造,预计2021年可充分发挥设备快掘效能,大幅提高单进水平。

2.2 掘锚护一体机+锚运破一体机快速掘进系统

针对巷道有起伏、不稳定顶底板、片帮冒顶需及时支护、断面相对较小、施工长度大于2 000 m的煤及半煤岩巷道,采用双臂/四臂掘锚护一体机+多臂锚运破一体机+可弯曲胶带转载机+自移机尾+除尘系统的快速掘进作业线[6],如图2所示。

图2 掘锚护一体快速掘进系统示意图Fig.2 Tunneling-anchoring-protecting integrated rapid tunneling system

该系统将纵轴式全断面掘锚一体机改为横轴式悬臂掘锚护一体机,以解决复杂地质条件下巷道断面成型及掘、支灵活适应的问题,另外纵轴式悬臂的截割功率大,可适应半煤岩巷道掘进。

该系统主要施工工艺为掘进机向前掘进一到两排后,锚杆机分别遥控伸到工作面迎头,根据需要打部分顶或帮的锚杆或锚索,运锚机在转载的同时进行其余锚杆或锚索的补打。可实现分次支护、集中支护作业,大幅度提高了支护环节的作业效率,同时也具备超前探放、数字截割、负压除尘、智能远程操控等功能[7-8]。

目前建成掘锚机+锚运破一体机快速掘进系统3套,掘锚机+两臂锚杆机快速掘进系统2套,掘锚一体机2套,在6个矿井进行应用。黄陵一号煤矿及二号煤矿采用此快掘系统,月进尺350～450 m;彬长胡家河、孟村煤矿采用四臂掘锚护一体机+两臂锚杆台车掘进作业线,目前月平均进尺已从130～150 m提高至200 m以上;铜川下石节矿及澄合董家河矿采用两臂掘锚护一体机配合原有的单体锚杆钻机掘进,董家河原悬臂式综掘机+单体锚杆钻机作业线月进尺200～300 m,目前月进尺350～400 m,7月份月最高进尺541 m。

2.3 护盾式智能快速掘进机器人系统

针对小保当一号矿巷道断面尺寸大(6.50 m×4.25 m)、夹矸厚度大(0.4～2.0 m)且硬度高(f5-f7)、围岩破碎易片帮需及时支护等掘进难题,陕煤集团联合西安煤矿机械公司、西安科技大学研制了世界首套煤矿智能掘进机器人系统,如图3所示。

图3 护盾式智能快速掘进机器人厂区组装现场Fig.3 Assembling site for shield tunneling intelligent rapid tunneling robot system

该系统集掘、支、锚、运、通风、除尘等功能于一体,主要包括掘进机器人、临时支护机器人Ⅰ和Ⅱ、钻锚机器人、锚网运输机器人、电液控平台等。掘进机器人全断面一次截割成型,临时支护机器人Ⅰ和Ⅱ进行临时支护,钻锚机器人能够人机协同完成永久支护作业;具有智能定位定向、定形截割、行驶纠偏、智能运网布网、多机器人协同控制与并行作业、远程智能监测监控等功能[9],实现了地面与井下全系统虚拟智能测控和一键启停,破解了复杂地质条件的大断面巷道快速掘进难题,提高了掘进效率,保障了安全生产。

目前该系统已在小保当112204工作面胶运顺槽进行工业性试验,对部分系统进行适应性改造,日最高进尺28 m,月进尺可达800～1 000 m。正在进一步研制小型化、灵活性更强的二代产品,以适应于彬黄及关中矿区的复杂地质条件的智能快速掘进。

2.4 龙门式钻锚作业平台

针对关中矿区地质条件复杂、地质构造多、围岩条件差、巷道底鼓和起伏大、巷道断面小、生产系统复杂的特殊条件,韩城矿业公司联合韩城煤机厂、太原煤科院、西安科技大学等单位联合研制了龙门式钻锚作业平台,如图4所示。

图4 龙门式钻锚作业平台地面安装现场Fig.4 Assembling site for gantry drilling-anchoring working platform

该平台采用时空立体交叉施工作业方法,综掘机和龙门式钻锚作业平台交叉作业,充分利用时间和空间,提高时间和空间利用率,通过掘支平行作业、集成多臂式支护作业平台等手段,提高支护环节的作业效率,保障作业的安全性。

该龙门式钻锚平台主要是配合掘进机进行交叉作业,掘进机完成割煤后退出,龙门式钻锚平台及时紧跟掘进工作面进行临时支护,在临时支护掩护下架载钻孔系统实施多钻机平行作业,5～8台液压锚杆钻机平行作业[10]。韩城矿业象山矿在井下应用后,大幅度提高了支护作业效率、减少了支护作业时间、减少了人员数量，减轻了劳动强度,明显提升了成巷速度,月进尺由220～250 m提高至350 m左右。

2.5 迈步支架超前支护快速掘进系统

针对近水平、地质条件复杂、围岩条件差、易片帮冒顶的不稳定顶板等情况,黄陵矿区采用迈步支架超前支护快速掘进系统,如图5所示。

图5 黄陵一号煤矿进下掘进迎头现场Fig.5 Heading site of tunneling in Huangling No.1 mine

该系统主要由悬臂式综掘机+单体锚杆钻机/两臂四臂锚杆台车+迈步自移支架组成[11],作业时综掘机连续向前掘进,超前支架交叉式迈步向前行走,超前支架(15～25 m)对空顶进行临时性支护。在掘进机后方支架支护空间内进行集中支护作业,支护采用单体锚杆钻机或者两臂/四臂锚杆台车进行锚杆的打设[12]。

目前黄陵一号煤矿、二号煤矿、双龙煤矿回采巷道大部分采用此形式进行掘进,月进尺350～450 m。下一步研制拱形迈步式自移支架,以适应于复杂地质条件的拱形巷道掘进。

3 快速掘进系统建设总体成效

目前陕北矿区应用全断面掘锚一体快掘系统成效显著,铜川、黄陵矿区应用效果也相对较好,关中、彬长矿区更适用于适用性、灵活性强、能及时支护的小型化快掘系统。各矿区通过建设不同形式的快掘系统,掘进工作面个数大幅减少,单进水平显著提升。

3.1 掘进工作面个数

2018年底陕煤集团所属矿井共有掘进工作面283个,综掘作业线基本为悬臂式综掘机+单体锚杆钻机,炮掘工作面有72个,工作面平均单进水平为252 m/月,掘进作业人员18 895人。2020年底所属矿井共有掘进工作面178个,工作面平均单进水平320 m/月，掘进工作面减少了105个,减少37.1%,如图6所示。综合单进水平提高了27%,掘进作业人员减少了18%。

图6 各矿业公司掘进工作面个数情况Fig.6 Driving face quantity of various coal mines

3.2 综合单进水平

目前榆北煤业快速掘进系统建设较快,现场应用成熟,掘进工作面个数减少了70.6%,单进水平提高了410%,陕北矿业、黄陵矿业、澄合矿业单进水平提高均在40%以上,陕北矿业、澄合矿业、韩城矿业掘进工作面个数均减少了30%以上,如图7所示。

图7 各矿业公司单进水平提升情况Fig.7 Improvement of single entry level in various coal mines

4 结语

各矿区在条件适宜情况下优先推广高集成全断面掘锚一体高效快速掘进系统,针对不同的巷道断面及地质条件进行优化调整,形成系列化的快掘装备作业线,提高了矿井掘进装备水平,提高了矿井综合单进水平,实现了掘进减头减面减人,提升了矿井综合效益,实现了矿井健康良性发展。下一步将继续总结煤矿智能快速掘进经验,围绕“智能自动截割掘进、全自动钻锚支护作业、智能监测及故障自诊断、智能高效辅助”等方面,不断加大投入力度,开展核心关键技术和共性技术研究,深化“产、学、研、用”融合,力争形成一批技术先进、行业领先的煤矿智能快速掘进成熟方案。