大断面岩巷炮掘工作面机械化快速掘进技术装备与应用

李晶昆，白 杨，常波波，丁 鼎

(陕西彬长孟村矿业有限公司,陕西 咸阳 713600)

0 引言

陕西彬长孟村煤矿中央带式输送机大巷DF29断层区域受冲击地压影响破坏严重，之后矿井将此段巷道层位调整在顶板岩层中。该工程为矿井灾害治理重点工程，其掘进速度制约着矿井的生产，因此，迫切需要一套可行性强、较为完善的岩巷大断面快速掘进技术，加快岩巷掘进技术发展，提高岩巷单进水平，满足该矿井治灾需求。

1 矿井及工作面概况

1.1 矿井概况

陕西彬长孟村矿井东西长约10.6 km，南北宽约8.3 km，面积63.59 km2。矿井主采煤层4号煤，厚度0～26.30 m，矿井4号煤层属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层；顶板岩层属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的顶板岩层[1]，陕西彬长孟村矿业有限公司被定性为严重冲击地压矿井[2]。

1.2 工作面概况

中央带式输送机大巷层位调整段全长849 m，掘进目的是将该巷道受DF29断层构造影响区段层位调整到顶板岩层中，保证DF29断层面前后200 m范围巷道进入煤层顶板岩石中，且至煤层顶界法向距离不小于10 m，以此消除DF29断层前后的中央带式输送机大巷的冲击危险。该段巷道主要以细粒砂岩为主，普氏系数f为5，设计断面为直墙半圆拱断面，荒宽5.64 m，荒高4.57 m，荒断面为22.4 m2，采用爆破法掘进方式施工。

2 爆破支护施工方案

2.1 锚杆(索)支护参数

锚杆：采用规格为MSGLW-500/φ22 mm×2 500 mm的左旋无纵肋螺纹钢树脂锚杆，间排距为700 mm×700 mm，一排17根。锚杆采用加长锚固[3]方式，每根锚杆配用2支MSK2335和2支MSZ2335树脂锚固剂，锚杆托盘采用150 mm×150 mm×12 mm的Q235钢板，锚杆锚固力和扭矩力不低于100 kN和200 N·m。

锚索：采用延展率大于5%的1×19股-1860级预应力锚索，规格为φ21.8 mm×7 100 mm的钢绞线，每根锚索配用2支MSK2335和3支MSZ2335树脂锚固剂，间排距1 200 mm×700 mm，一排5根。锚索预应力不低于200 kN，托盘采用Q235蝶形钢板，规格为300 mm×300 mm×16 mm。

2.2 爆破参数

炮眼布置如图1所示，炮眼参数及装药量详见表1。

图1 炮眼布置Fig.1 Blasthole arrangement

表1 爆破说明

3 机械化设备配备及应用

3.1 炮眼施工装备

液压钻车：巷道炮眼施工采用CMJ2-35型矿用液压钻车[4]，具体外形如图2所示，设备参数详见表2。

图2 CMJ2-35型矿用液压钻车Fig.2 CMJ2-35 mine hydraulic drill truck

表2 CMJ2-35型矿用液压钻车设备参数

使用范围：CMJ2-35型矿用液压钻车全机采用防爆设计、机身小，结构紧凑，广泛应用于掘进巷道中凿岩各类孔作业，具有节约能源、节约人力、凿岩效率高、钻杆成本低、噪声小、提高施工质量等特点[5]。施工炮眼时可以全断面施工，炮眼施工过程采用平动臂模式。

平动臂模式的特点：①在平动臂模式下，无论大臂如何上、下、左、右摆动，都能自动保证钻出的孔与孔之间保持平行。②可准确、快速定位——平动臂技术提高了设备的自动化性能、降低了操作难易程度；定眼时，普通钻臂需要通过调整3～4个油缸去保证炮孔的平行度且需要操作人员具备丰富的工作经验才能保证炮眼的施工角度，应用平动臂技术，只需动用相应方向1～2个油缸即可快速定准炮孔位置，大幅度提高定眼效率。③通过保证钻孔质量可提高巷道爆破后整体形状规整度。④降低卡钎风险、降低断钎概率——在打密集孔时若不能保证孔平行，就容易出现孔穿透交叉而导致卡钎，而平动臂技术则可确保孔平行从而不易出现交叉现象，降低断钎概率[6]，参数见表2。

应用：CMJ2-35型矿用液压钻车仅需要操作司机1人，一般在距离工作面5 m的位置全断面施工炮眼，每个炮眼用时2 min。

3.2 破碎装载设备

矸石破、装、运采用ZPY-40/20L煤矿用破碎装岩机[7]，搭接DSJ-80/40/2×55胶带输送机实现。装岩机具体外形如图3所示，设备参数见表3。

图3 ZPY-40/20L煤矿用破碎装岩机Fig.3 ZPY-40/20L mine crushing rock loader

表3 ZPY-40/20L煤矿用破碎装岩机设备参数

使用范围：ZPY-40/20L是针对国内岩巷掘进效率低、工人劳动强度大而研制的一种岩巷快速装载机械，它集装载、破碎、输送为一体，不但能对岩巷工作面爆破后落下的岩石进行快速机械化装载和输送，而且还能对体积较大、硬度较高的岩石进行破碎作业，从而进一步提高岩石运输的效率。

设备特点：①该机机组结构合理，大部件强度高，刚性好；②机组全部采用液压系统控制，方便井下维修与操作；③采用了低速大扭矩马达直接驱动的单链刮板，有效地杜绝了双链刮板运输时的断链和卡链现象；④采用了铲板与大扭矩马达驱动的耙爪配合进行装料；⑤采用了大型液压破碎锤机构，可以对爆破后的大块岩石进行破碎；⑥采用了灵活方便的挖斗机构，进行爆破岩石的辅助装运和水沟水仓的挖掘工作；⑦装配有灵活转动的回转机构和升降机构，可方便实现大臂的升降和回转，扩展了破碎锤和挖斗的各项功能；⑧采用涨紧轮组和涨紧油缸组成的履带涨紧装置；⑨全机所有的重要执行元件，均采用进口元器件，性能安全可靠[8]。

应用：耙装机距离工作面0～20 m，爆破时退至迎头向外20 m(机尾滚筒处)，采用加工护板遮挡保护，出矸时配合桥式转载机前后移动，左右轻微移动，同时采用防爆装载机将机尾外段矸石转运至耙装机前，桥式转载机[9]搭接DSJ-80/40/2×55胶带输送机完成出矸。

3.3 锚杆钻车

煤矿用液压锚杆钻车：锚杆索支护采用CMM2-25型煤矿用液压锚杆钻车[10]，具体外形如图4所示，设备参数见表4。

使用范围：CMM2-25型煤矿用液压锚杆钻车满足掘进工作面断面宽度最大6.5 m、高度最大4.8 m的巷道支护，钻车在结构上采用了整体升降的工作平台，可以根据巷道不同高度采取平台升降来调整人员的作业高度，从而实现巷道顶板、侧帮锚杆孔、锚索孔的机械化作业施工。该钻车具有大断面支护，工作安全性及效率高，工人劳动强度低等特点，尤其是工人在使用钻车进行锚杆索支护作业时能大大缩短支护作业时间，提高支护效率和支护质量。该钻车结构合理，机构紧凑，运转灵活，操作方便，是一种快速、高效、机械化的掘进支护装备。该钻车适用于矿山巷道掘进工作面的支护机械化作业[11]。

图4 CMM2-25型煤矿用液压锚杆钻车Fig.4 CMM2-25 mine hydraulic anchor drill truck

表4 CMM2-25型煤矿用液压锚杆钻车设备参数

设备特点：①结构合理，零部件强度好、刚性好；②液压系统采用负载敏感控制，既减少了能耗，又杜绝了系统发热失效的可能性，大大的延长了密封件的使用寿命；③行走机构采用液压马达+减速机驱动；④设有2组钻臂及钻孔推进机构，均由液压系统控制，且2组钻臂及钻孔推进机构可独立并同时作业；⑤2组钻孔推进机构可实现不同位置和角度的旋转，可进行全方位的顶板、侧帮、锚杆、锚索、迎头炮孔及探测孔的施工作业；⑥设有可升降的前部支撑机构装置，在迎头空顶下可对作业人员进行保护；⑦设有可升降的作业平台，2组钻臂可随作业平台上下升降，以满足不同巷道高度的施工要求，并方便作业人员操作；⑧设有可翻转、伸展及增高的踏板装置，以满足不同巷道宽度的施工要求，并方便作业人员操作。

应用：工作面完成出矸后，应用机载前探梁完成临时支护，3人操作便可完成巷道拱基线以上全部支护。拱基线以下采用YT28气腿式凿岩机进行支护[12]。

4 结语

孟村煤矿中央带式输送机大巷炮掘工作面机械化掘进配备了“CMJ2-35型矿用液压钻车+ZPY-40/20L煤矿用破碎装岩机+桥式转载机+CMM2-25型煤矿用液压锚杆钻车”成套快掘系统后，大幅度提升爆破掘进作业的炮眼施工、矸石破装运及支护效率，使大断面岩巷月平均单进达到120 m/月，较传统炮掘工艺掘进效率提高33.3%，这套设备方案有效提高了孟村煤矿炮掘工作面的快速安全掘进，为该矿灾害治理工程的进展提供了有力的技术保障，为矿井及公司岩巷快速掘进积累了丰富的经验，取得了重大突破，同时也为实现高质量发展奠定了坚实的基础。