提高井下巷道掘进单进水平的新技术.doc

提高井下巷道掘进单进水平的新技术 提高巷道掘进单进是建设高产高效矿井的根本保证。近几年来，兖州矿业集团有限责任公司及其下属各矿针对目前井下巷道掘进速度慢、制约煤矿可持续性生产的问题进行研究，通过对我国巷道掘进现状的分析，找出了矿区井下巷道掘进存在的主要问题，进而提出了提高单进水平的技术途径，通过爆破参数设计、劳动组织优化等手段实现了矿区井下巷道的安全快速掘进。 1 提高兖州矿区单进水平的研究 岩巷掘进技术施工手段落后、半煤岩巷掘进全部采用钻爆法、现有的煤巷掘进机在煤层硬度较大时截割困难，均影响着兖州矿区单进水平的提高。为此，兖州矿业集团有限责任公司开展了专题研究，提出了进一步提高单进的途径和措施。 ⑴在生产矿井改革巷道布置，逐步向全煤巷过渡。兖州矿区厚煤层综采化矿井的巷道布置改革，经历了由工作面顺槽与其下部岩集平行重叠布置过渡为与工作面顺槽垂直方向按一定间距设置成组岩巷的方式，取消全部岩集巷。原有的4个厚煤层综采化矿井及其新的开拓采区基本上都按这种方式进行设计和开采。这种布置虽然可减少岩巷30左右。但采区内仍有20的岩巷掘进工程，改革的途径就是推行全煤巷布置方式，新的矿井已经按照此方式进行设计和开采。 ⑵发展掘进机械化，不断提高掘进机械化水平。 ①岩巷、半煤岩巷掘进以全面推广应用“三小”作业线、完善配套现有成熟可靠的机具为主要手段，同时继续探索岩巷、半煤岩巷综合机械化掘进的新路子。 ②针对个别矿井煤层巷道煤比较坚硬和局部半煤岩、全岩的特殊地质条件，原有的S100掘进机显得功率比较小、重量比较轻，决定引进S200、LH-1300等重型、大功率掘进机；继续对综掘的后配套进行完善，全面推广应用双向运输胶带，实现煤流与材料运输的一体化，从总体上提高煤巷综掘的装备水平。 ③在溜煤眼和煤仓施工中全部推广应用反井钻机，力争实现反井钻进全部机械化。经过现场的应用实践和总结，ZFYD1200和ZFYD2500型反井钻机设计合理、方便可靠，是反井施工的理想机具，要重点推广应用。 2 综掘快速掘进系统的设备配套 兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿采区工作面顺槽长度均在2000m左右，综掘机要掘出采煤面的大半圈2000～4000m才能形成系统，而该矿现有综掘设备均为老产品，严重影响了采煤工作面的接续。为此，他们对综掘工作面的设备进行了选型配套和改造，达到了快速掘进的目的。 ①掘进机的选用。用S150型掘进机代替S100型掘进机，增大了截割深度，实现了大功率截割与装载。其铲板部耙爪由液压马达直接驱动，增加了行走部的高度和履带板的宽度，极大地完善了设备的工作性能；电控箱由集成电路和插件组成，便于维修和更换。 ②对SJ-80型带式输送机进行改造，研制了可靠、方便的卸料平台，实现了大功率、长距离双向运输，还减少了变电站的移动次数，增强了供电系统的安全可靠性；改造机头架和储带仓的结构，实现结构件的快速安装和拆卸，方便清理积煤。按顺槽2000m计算，原先需布置4台带式输送机，现仅要2台即可，降低了工作面设备安装、拆除的工作量，节省了设备维修费用以及各种材料的消耗。 ③与生产厂家一起研制了“综掘工作面可视控制系统”，将通讯、控制集中于一体，集中、分布式控制共存。新型控制装置的使用，不仅提高了设备运行的安全性，而且减少了人员的劳动强度，提高了工作效率，设备运行中的动态检测，还避免了各种恶性事故的发生。 ④由于该矿工作面顺槽坡度不大、起伏小，故改用以无极绳绞车作动力的SQ-1200型顺槽连续牵引车作为工作面的主要运输设备，运输距离长、设备操作简单、系统运行平稳，为安全运输提供了有力的保障。 3 岩巷快速施工技术研究与应用 兖州矿业集团公司鲍店煤矿通过围岩性状分析，合理确定支护方案，优化支护技术，减少支护环节；利用中深孔爆破技术，合理确定爆破掏槽方式，增大爆破循环进尺，同时强化工序管理，健全激励机制，充分调动班组工作积极性，极大提高岩巷单进水平。 此项研究的内容包括岩巷支护技术改革和岩巷快速施工技术研究。在减少混凝土喷层厚度或者免喷混凝土的可行性研究基础上，提出的巷道支护设计正常情况下采用锚秆支护；节理发育、围岩完整性较差时采用锚带支护体系；围岩层理发育或者受构造影响节理发育、岩性破碎时采用锚网带支护；破碎、易风化围岩采用浆锚网或者锚网浆支护。根据观测，改进支护技术以后，无论是巷道的表面位移量、顶板的离层值还是围岩松动圈的大小基本上未超出该类巷道围岩的变形范围。 掘进工作面每班配备3台YT-28型风动凿岩机，平行作业；分两组装药连线，MFB-150型发炮器起爆，全断面一次爆破。爆破后用DWL315型单体液压支柱临时支护，永久支护紧跟迎头。风动锚杆钻机、PZ-5B型喷浆机、P-60B型耙装机、JBT62-2型28kW局部通风机、JK-2型激光指向仪、AYJ-1型瓦斯断电仪及其它电器配套设备组成快速掘进机械化作业线。综合工作队“四八”交叉，即每人在掘进迎头工作6h，剩余2h负责清理迎头和水沟等。打眼实行定人、定机和定位的作业方法，装药时由放炮员统一发炮头和药卷，连线后每组人员自检、放炮员总检，然后按照规定连线放炮。从爆破理论分析，采用大于2.5m的深孔爆破最为合理，但受到断面和钻眼机具等因素的限制，1.8～2.4m的中深孔在施工现场应用更为合理和广泛。 4 大断面全岩巷道快速掘进 兖州矿业集团公司济宁三号煤矿在改进支护参数、施工工艺、设备配套和完善制度等方面进行积极探索，取得了大断面岩巷平均月进120m、最高月进135.5m的好成绩。 该矿北部边界巷为岩石巷道，荒高4.1m、荒宽5.3m、掘进断面18.6。由于受到断层的影响，揭露的岩石有灰白色中砂岩、致密坚硬，硬度系数f8～10；黑色粉砂岩，硬度系数f4～6。设计采用锚网喷支护，Φ16mm2100mm圆钢锚杆，间排距600mm600mm，8铁丝编网，喷C20混凝土厚150mm，巷道施工0。～7。。 他们采取的快速施工技术措施如下 ①推行中深孔光爆技术，提高循环进尺。在现有机具状况、工人素质和管理水平的条件下，确定炮眼深度为2.1m，利用YT-24型风钻配Φ32mm柱齿钻头打眼，斜眼掏槽方式，周边眼距400mm，Φ25mm乳化炸药。 ②采用高强度锚杆支护技术，缩短工序时间。根据锚杆支护理论和煤巷锚网支护的成功经验，用Φ20mm1800mm左旋无纵筋树脂锚杆代替Φ16mm2100mm圆钢锚杆，间排距扩大到800mm800mm。 ③完善设备综合配套技术，确保正规循环。设计了机械化装运线，装矸采用改装的P-60B型耙装机，运矸采用40t刮板输送机配800胶带机，以溜煤眼为缓冲矸石仓，实现了矸石的连续排运。 ④实施无轨胶轮车运输，保证材料供应。所有的支护材料、设备零配件均由轻型无轨胶轮车从地面一次性运输到掘进工作面，有效地减少了中间环节。 ⑤发挥经济杠杆调节作用，加大奖罚力度。对掘进区队在执行延米单价的基础上，设立了台阶奖和目标奖，并且与辅助单位挂钩，同时还制定了严格的考核制度，促进了岩巷的快速掘进。 5 鲍店煤矿快速掘进方案优化 山东科技大学和兖州矿业集团公司鲍店煤矿针对该矿快速掘进的两种方案，应用灰色系统理论关联度分析法对参选方案进行评价，采用层次分析法AHP确定指标的权值，给出了每个方案的综合评价值，为决策提供了科学的依据。 他们对传统的岩巷掘进方法进行攻关时，提出了两套方案I方案即利用现有的条件，采用“三八”制、“三小”、浅孔、两次起爆的施工方案，每米进尺造价约为450元，单循环进尺为1.2m，因岩石强度较大而使巷道成形一般，但是工人已经适应了这种方法，易于实施，工作环境较好。II方案即在现有的施工条件基础上改进一些参数，采用大直径钻头、大直径药卷、中深孔、全断面一次起爆的施工方案，并且加大锚杆的间排距，在保证支护安全的前提下进行适当的调整，降低材料消耗，每米进尺造价约为300元，单循环进尺按中孔为1.7M，但是工人不适应，实施难度大，由于钻眼时间变长，工作环境变差。 他们从鲍店矿快速掘进方案中选出对方案影响比较大的5个指标，除了成本和单循环进尺2个量化指标外，尚有安全性能、工作环境和施工难易程度3个非量化指标，故通过对其性质的分析，利用白权化函数将其量化后，将两个方案分别构成两个指标集，建立了指标评价体系。然后，按照费用最低、时间最少、各项指标均为最佳的理想方案要求，取出两个方案中的最佳指标，构成了参照系统，确定了方案评价目标。再对各种指标以方案的影响程度为基准进行两两，构成判断矩阵，运用电算方法得到排序结果，求出关联系数，对数据做归一化处理。最后，根据求出的关联度得出，II方案的综合评价值明显地高于I方案，即为最优方案。 6 济二矿提高掘进单进水平有成效 兖州矿业集团公司济宁二号煤矿的万t掘进率逐年上升，目前已经达到50m/万t以上，因此对掘进单进水平提出了更高的要求。 经过深入的分析，根据前几年的实际情况，他们发现有以下几个方面的因素制约了该矿掘进单进水平，特别是综掘队单进水平的进一步提高。 ①综掘队实际施工的时间比较少，而且变化频繁，无法正规组织掘进。由于该矿没有专业的综掘准备队，各个综掘队在综掘巷道之前，首先需要进行工作面联络巷和运输顺槽胶带输送机头段的普掘施工；在巷道施工结束的时候，还要进行巷道的竣工处理、综掘作业线的撤出和相关工作。由于该矿采场的条件比较差，顺槽的施工长度比较短，综掘队需要频繁地进行开工和竣工工作，对于综掘队的掘进施工影响很大。 ②综掘队施工过程中受到断层等的影响比较大。由于该矿的地质条件比较复杂，断层构造比较多，综掘队在施工过程中需要经常进行过断层，岩巷、半煤岩巷的施工比较频繁，在一定程度上影响了综掘队的施工组织。 ③施工组织、队伍素质等方面的影响。该矿的综掘队成立时间比较短，人员配备比较紧张，在施工组织和队伍素质等方面还存在一定的不足，对于综掘单进的提高也产生了一定的影响。为此，他们增加了综掘准备队，施工原先由综掘队或者普掘队施工的工作面联络巷，并替换原先由综掘队进行的巷道竣工和设备撤出，提高了综掘队的工作效率；同时，采取措施降低综掘队过断层时的影响，加大综掘队的实际数量。此外，通过扩充巷修队伍，减少普掘队施工零星工程的时间，保证普掘队伍的正常施工时间。通过上述措施实施，全年完成掘进进尺22000m以上，基本上满足了煤矿生产接续的需要。 7 大断面岩巷快速掘进 在兖州矿业集团公司杨村煤矿生产能力从60万t提高到90万t的技术改造中，东翼轨道石门是关键工程。他们采用中深孔二次光面爆破，采用合理的循环组织及作业方式，平均月进100m，最高月进122m，最高效率0.14m/工，实现了快速掘进。 东翼轨道石门是从17层煤到3层煤的穿层平巷，主要穿过薄煤层、中砂岩、砂质页岩、泥岩、石灰岩等50多种岩层，硬度系数f2～10，直墙半圆拱断面，净高4.0m，喷厚100mm，掘进断面14.5m2，锚喷网联合支护，采用“三小”掘进作业线施工工艺。 在快速掘进的过程中，他们根据岩性试验了不同的光面爆破参数。针对轨道石门岩性f4～6的情况，设计了光面爆破图表及参数调整范围表，严格掌握对光面爆破影响最重要的周边眼距及装药量和最小抵抗线距。循环进尺为2m，全断面为60个炮眼。钻头Φ32mm，每孔打眼时间1.8～2.3min，提高了钻眼速度。采用空气柱间隔装Φ27mm乳化炸药，最外使用矿用阻燃塑料炮塞封孔，掏槽眼用2个炮塞，其它炮眼用1个炮塞。采用串并联的联线方式，正向装药，炮孔深2m，分两次放炮，第一次进尺0.8～0.9m，第二次进尺1.1～1.2m。支护采用岩巷掘进作业线中的小锚杆工艺和PZ-5B型湿式喷浆机。该机能力大，采用防粘转子，不需要清理摩擦结合板，回弹少。循环组织采取两掘一支的作业方式，即掘进的同时施工两肩窝至拱顶的锚杆挂网并初喷50mm厚的混凝土。支护班进行永久支护巷道的两肩窝到巷底的锚网以后，初喷两肩窝到巷底，再复喷两掘进班没有复喷支护的肩窝到拱顶，最后复喷两肩窝到巷底，支护班同时移扒装机和铺路。 8 煤巷锚网支护高效快速掘进技术 兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿优化施工工艺、加强设备检修、强化工序管理，在5320下顺槽创出了煤巷锚网单进748m的好成绩，刷新了锚网单头月进724m的全国记录。 5320下顺槽沿着3煤层的底板掘进。3煤层的平均厚度为8.65m，f1.5～2.5，煤层节理比较发育，容易片帮。该巷将揭露条层滑构造断层，剩余的煤厚仅为0.4m，给施工带来一定的难度。巷道的掘进断面为4.5m3.2m，采用高强度锚杆支护系统，适当地加大锚杆的间排距，减少锚杆的数量。其支护方式为锚杆、钢带、金属网联合支护，锚杆排距为1000mm，顶锚间距为950mm，帮锚间距为000mm。每排11棵锚杆，顶锚5棵、每帮3棵。采用Φ20mm左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，顶锚杆体长2450mm，帮锚杆体长1800mm。为了提高顶、帮锚的安装速度，采用销钉式T型螺母。钢带为GT-4W型，长度为4000mM。金属菱形网宽1200mm，顶网长5000mm，帮网长2400mm。 巷道施工采用MRH-S100-41掘进机截割装载，后配套SJ-80带式输送机运煤，迎头配备2台MFC1360/3630单体风动锚杆钻机打装顶锚、2台ZM-12煤电钻打装帮锚。采用专业工种综合队施工，做到一专多能，“四六”工作制，三个班生产，检修班半班生产半班检修，并且负责给生产班备料。班长负责组织迎头生产，工长抓全面，重点负责外围运输。生产班配备2名机修工，以便及时解决机电故障及水管延接。检修班重点检修掘进机及各部输送机、延接迎头胶带、接风管、延长各种信号等，在保证掘进机各部动力正常运转的前提下积极组织生产，但是必须以检修工作为重点。每个循环2排锚杆，循环进尺2m。生产班4个循环，8排锚杆、锚网一次成巷。 9 掘锚机组的引进及后配套设备的研制 风量350～450m3/min的综掘机械化水平一直存在劳动强度大、作业环境差和工作效率低的问题，采掘比例失调矛盾比较突出，煤巷施工速度慢已对矿井接续产生了重大影响。为此，兖州矿业集团公司鲍店煤矿引进了奥地利ABM20S掘锚一体化机组，并在分析现有生产工艺和流程的基础上，对照国际先进标准有针对性地进行了技术改造，井下试验和使用均取得了较好的效果。 ①后配套设备的研制。主要设备有YPZ04A型转载机和DSL100/70/2160型胶带输送机。转载机运输能力700t/h，与掘锚机之间采用球形万向吊挂连接；机头架、中间架及机尾架均由角钢焊接而成，改变了传统的铰接机身，提高了机架的刚性，较好地解决了转载机的扭曲变形问题。输送机运输能力750t/h，瞬时可达900t/h，运输距离2400m，更换上下托轮方便易行。 ②安装国内最大能力的除尘风机。根据机组产尘特点和煤尘运动规律以及所需风速、风量，采取长压短抽的通风方式，选择供风量350～450/min的2BKJ系列218.5kW对旋式风机和处理风量225m3/min的ZZJG-Ⅱ-型湿式振弦除尘风机。加宽机组挡尘帘，加工减小除尘阻力的刚性风筒。刚性风筒直接与挡尘帘连接，从封闭的范围直接抽尘，除尘效率提高96以上。根据除尘风机尺寸制作了小滑车，安装在转载机承载部上，除尘风机与转载机联体移动，减少了风机移动及接风筒工作量。 ③安装梭车运输系统。风量350～450/min的煤层倾角变化大，传统的绞车运输量小，为了充分地发挥机组施工速度快的效能，安装了SQ-1200S/75型连续牵引车作为机组后配套辅助运输系统。最大牵引力60t，最大运输距离2000m，减少了运输环节，提高了效率。 ④对掘锚一体化机组进行改造。主要改造部位如下切割臂电缆及管路保护装置；接收器保护装置；锚固剂、套筒、钻头和钻杆盛放器；顶钻与帮钻隔离护杆；跟机电缆槽；转载张紧油缸；除尘风筒托架、滑车；电缆滑车等。 10 EBJ-120TP型薄煤层半煤岩综掘机在济二矿的应用 兖州矿业集团公司济宁二号煤矿主要可采煤层为3上煤层和3下煤层。该矿地质条件复杂，断层多，其中3上煤层回采巷道全部为半煤岩掘进巷道，采用S100等类型的综掘机无法进行破岩施工，只能采用炮掘施工，半煤岩掘进单进仅为120m/月，不能满足生产和工作面接续需要。针对这一情况该矿在兖州矿业集团公司率先引进了适合本矿条件的半煤岩综掘设备，大幅度提高半煤岩巷的掘进速度，缓解了生产接续紧张状况。 EBJ-120TP型薄煤层半煤岩综掘机是煤炭科学研究总院太原分院在总结国内外同类机型优缺点的基础上研制的一种中型悬臂式掘进机，主要适用于半煤岩巷道的掘进。该机在济二矿施工的巷道主要揭露3上及顶板泥岩、粉砂岩、煤层底板粉砂岩、细砂岩和泥岩。煤厚1.0～1.2m，夹石0.1m的泥岩夹矸。掘进时一般沿顶板掘进，巷道高度为2.6～3.1m、宽度4.2m。掘进过程中一般要破0.7～2.0m的岩石，岩石普氏硬度系数一般为5，最大为7。全部采用锚杆支护，间距800mm，排距一般800mm。掘进机后跟800胶带输送机。该机克服了同类掘进机的一些缺点，单刀力大，破岩能力较强，切割振动小，工作稳定性好；装载机构和行走机构性能可靠；电气系统简单，检修方便；整机维修量小。 该机在济宁二号煤矿的使用是成功的，避免了在掘进过程中遇到较硬岩石或者过断层就只能依靠采用炮掘施工工艺配合耙矸机出矸掘进的局面，减少了施工工艺和复杂的施工环节，提高了掘进速度，减轻了工人的劳动强度，取得了叫好的经济效益和安全效益。当然，在使用过程中也发现了该型掘进机存在的不足之处如液压系统的操作与现场习惯不相符、铲板较宽加上切割臂较长而影响到装矸的效果、定心螺栓压住的地方及接头和活动部件漏油、只有一个电动机等，他们在形成都逐步进行了改进和解决。 11 S100掘进机技术改造 兖州矿业集团公司东滩煤矿针对S100掘进机在施工过程中暴露的问题进行了合理的改造，具有一定的借鉴性和实用参考价值。 ①装运机构。左右蟹爪因工作速度和加速度剧烈变化导致零件受力成为复杂的交变载荷，易于疲劳损坏，尤其是装载机构齿轮箱中的齿轮、轴承等损坏更为严重。在不破坏铲板结构的基础上对装运机构实施改进采用星轮装载，不仅能简化机构、增加耐冲击能力与提高使用寿命，而且可明显改善装载效果；取消耙爪减速器，采用低速大扭矩液压马达直接驱动，星轮轴直接与液压马达联接，简化传动副，降低故障率。 ②履带副。原履带副为组合结构，由履带板、履带链、销轴与轴套等部分组成。现场普遍反映履带传动副损耗严重，履带板断裂现象尤其突出，拆卸修理困难。从传动受力分析，该组合结构驱动力传递环节多，加上井下工作环境恶劣，煤泥塞满履带副，造成故障率高。在保证能与原机履带传动副互换的前提下，对履带传动副重新设计采用驱动轮与履带板直接啮合的方式，驱动轮节距由171.45mm减为160mm，齿数由19个减为10个，节圆直径、齿宽基本未变，驱动轮轮齿齿面挤压应力由157.19MPa降为126.35MPa，受力状况得到较大改善；简化履带副结构，履带由整体履带板、销轴、弹性柱销组成，每块履带板间用销轴联接，每只销轴再由弹性柱销定位，履带板更换工作一人即可完成，拆下的销轴和弹性柱销仍可使用。 ③第一运输机。原第一运输机驱动装置由马达、减速机和驱动链轮等组成，涨紧装置为丝杠调节涨紧，由于铲板频繁起落引起松链、跳链及卡阻，改进如下取消减速器，采用低速大扭矩液压马达直接驱动，驱动链轮直接与液压马达联接，简化传动副，降低故障率；涨紧装置采用油缸与弹簧复合涨紧的形式，有效防止松链、跳链及卡阻等现象。 12 快速大孔径钻孔技术有创新 山东省煤炭科学研究所和兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿针对煤矿坑道大孔径岩石钻进速度慢的状况，改革了坑道钻机的钻杆结构，采用快速大孔径钻进技术，在钻头部位增加冲击能量，使钻进速度明显提高。 冲击钻孔技术广泛应用于手持式电钻，在增加冲击能量的情况下效率很高，建筑工程施工中多有应用。煤矿风动凿岩机早已在井下岩巷掘进中应用，但仅用于小孔径小钻深的钻孔，若钻深增大则其冲击能量明显不足。由于这类钻机的冲击装置位于钻机的机身位置，通过钻杆将冲击能量传至钻头，冲击能量在钻杆的传递过程中被吸收，因此长钻杆在钻头破岩处的冲击能量就很小，效率也就很低。 快速大孔径钻孔技术是利用潜孔冲击的原理，在原有钻机的头部增设冲击装置，从而加大冲击能量。为此，他们专门设计了一种高效、大孔径的钻进机具与TXU-75型或MK系列钻机配套使用，可钻Φ90～Φ290mm不同孔径的孔。新研制的冲击装置是由配气部、导向部、冲击器部、钻头四个部分组成的。配气水部负责向冲击器配气配水；导向部解决冲击器与钻杆的连接、导向。由于利用压缩空气动能由冲击器产生冲击能量，使原来的液压机械静力切割岩石变为液压机械进给、大扭矩冲击破岩，给原先的钻机增加了冲击能量，提高了破岩效率，并且不用更换钻头，钻机效率明显提高。他们在兴隆庄煤矿4318胶带巷泄水孔施工中，采用该技术对MK-150液压钻机进行改造，增加风动冲击装置后，用Φ90mm钻头一次成孔，破岩岩性为二类岩，钻进速度达到0.26m/min，效率提高了3～5倍。