煤巷高效快速掘进技术优化
发布时间：2021-06-23
摘要：煤巷掘进本身具有较强的专业性、综合性，掘进施工受多种因素的影响，深化煤巷高效快速掘进技术应用，能有效提升掘进效率与质量。文章在阐述煤巷快速掘进影响因素的基础上，分析快速掘进工艺要点，指出煤巷高效快速掘进技术优化措施及具体应用情况，期望能进一步提升煤巷高效快速掘进技术应用水平，继而在保证巷道掘进效率与安全的同时，促进采矿行业的创新发展。
关键词：采矿;煤巷高效快速掘进;技术优化
煤炭资源在社会生产生活中发挥着至关重要的作用，新经济形势下，我国对于煤炭资源的需求量不断增大，煤巷掘进成为采矿行业关注的重点问题。目前，我国煤巷、半煤巷的掘进量超过15000km/a，在煤巷掘进中，人们对于煤巷掘进速度和支护质量提出了较高要求，基于煤巷掘进安全、高效、高产的需要，高效快速掘进技术在煤巷掘进中获得了广泛应用。在煤巷高效快速掘进技术下，煤巷掘进生产构建了掘、支、运为一体的工作模式，这对于整个采矿行业的发展具有积极作用。
1煤巷快速掘进的影响因素
1.1巷道环境条件
巷道环境条件是影响煤巷掘进效率与安全的基本因素，该因素对于巷道掘进施工的影响最直接、最强烈。当巷道岩层硬度较高时，巷道掘进的难度会随之增加，并且在整个掘进施工中，掘进设备的磨损状较为明显，严重地影响了煤巷掘进的效率与质量。值得注意的是，巷道施工中还存在一定的渗水和瓦斯聚集问题，这些实际性的巷道环境直接影响着煤巷掘进的安全性。
1.2掘进设备性能
巷道掘进施工中，掘进设备性能会对巷道掘进的速度造成影响，这是影响巷道掘进的主要因素。相比于发达国家，我国采矿企业巷道掘进设备的应用不够先进，以重型悬臂式掘进机为例，我国在该设备的研发上缺乏独立技术，严重地制约了掘进设备的更新升级，并且对巷道掘进的效率产生了较大影响。
1.3掘进支护技术
采矿本身属于高危行业范畴，支护技术的应用直接关系着采矿过程的安全性。新时期，我国对于行业安全生产提出了较高要求，在煤巷掘进中，有必要科学合理地开展煤巷的掘进施工。然而结合当前煤巷掘进现状来看，我国采矿企业在煤巷掘进中的支护技术应用具有一定的滞后性，这使得巷道支护速度远落后于煤巷的掘进速度[1]。另外，要注意的是，很多煤巷掘进时的支护均是根据经验来完成的，导致支护的锚杆存在打眼儿跑偏等问题，影响了整体的支护质量。
2煤巷掘进技术要点
2.1光面爆破
光面爆破技术在当前煤矿工程中应用广泛，在爆破前，施工人员会正确选择爆破参数，然后进行分区分段微差爆破，实现了爆破后轮廓线的有效控制，确保了断面轮廓的凭证性和规则程度。相比于普通的爆破技术，光面爆破技术的应用具有爆破后成型规整、岩体稳定性突出的优势。一方面，采用光面爆破技术后，新形成的壁面上能较为清晰地看到半边孔壁痕迹，这大大减少了巷道掘进的超挖量和排渣量，降低了装载运输系统的实际负担，此外其还有效地节省了喷射原材料。另一方面，利用光面爆破通常不产生或者很少产生爆震裂隙，这对于提升围岩的承载能力具有积极作用。从整体施工效果来看，光面爆破施工效率高、安全效益好，掘进成本低，是煤矿巷道安全掘进的有效措施。
2.2支护技术
巷道掘进过程中，实时支撑围岩是极为重要的一项工作，其在防控岩石破碎冒落问题中发挥着重要作用。现阶段，锚杆支护在煤矿巷道掘进施工中的应用较为常见，该工法将锚杆锚入围堰，通过改变围岩力学状态的方式，使得掘进的航道周围形成了较为稳定的岩石带，满足了巷道掘进支护需要。相比于架棚支护方式，锚杆支护方法的应用具有以下优势：其一，锚杆支护有效地降低了巷道通风阻力，具有较强的适应能力。其二，锚杆支护的稳定性较高，完成支护后，巷道很少会发生变形问题，故而工作的安全性较高。要注意的是，结合巷道掘进支护现状可知，锚杆支护仍然存在一定的技术缺陷，如锚杆支护不能预防围堰风化问题，同时锚杆之间的缝隙有发生岩石剥落的风险。基于这些风险因素，在巷道支护中，还需要实现锚杆支护与其他支护方式的联合使用[2]。
2.3运输技术
为适应快速掘进的工作环境，在煤巷掘进中，还应重视运输技术的有效使用。现阶段，煤矿巷道运输多采用绞车、电瓶车以及耙装机运输方式。结合巷道运输实际情况可知，这些方式在运输效率、安全上存在一定缺陷，有必要进行煤巷运输方式的优化。新时期，利用胶带输送机输送煤炭资源成为巷道运输技术发展的全新方向，该技术具有自动化集中控制的优势，其能在方便操作的同时，降低输送的成本。另外，胶带输送机输送的使用有效地降低了人工劳动强度，确保了煤矿掘进和煤炭运输的安全性。
3煤巷高效快速掘进技术优化措施
煤矿掘进施工中，巷道的环境较为复杂，控制难度较大，因此，在推广煤巷高效快速掘进技术中，应从掘进设备、支护、运输等层面进行优化。
3.1高效快速掘进措施优化
(1)掘进机工作参数优化。选择综合性能较突出的掘进机，能切实提升煤巷的掘进速度，保证煤矿企业经济效益。在掘进机选择中，不仅要考虑矿井的地质条件，而且需对施工环境进行有效分析，以此来确定掘进的种类。譬如，在新时期可选择全断面岩石掘进机进行施工(见图1)。当煤巷巷道围岩的硬度超过80MPa时，若采用传统的悬臂式掘进机，其施工掘进基本上是“0”进尺，而且截齿消耗严重，但当采用全断面岩石掘进机时，能实现200MPa岩石地层的快速掘进，掘进速度较快[3]。在巷道掘进施工中，还需要结合具体的工况，对掘进机的开机率、掘进速度等参数进行控制，以此来延长掘进机的有效工作时间。
值得注意的是，设备的匹配程度对于煤巷掘进效率、安全性具有较强的制约作用。在掘进机工作参数优化中，还需要提升设备之间的匹配程度。现阶段，煤巷掘进中需要匹配的设备系统较多，应从掘进、支护和运输三个环节开展设备的匹配度管理，实现煤矿巷道作业的最优控制。
(2)掘进设备自动控制。采用自动化控制技术，能简化煤巷掘进操作工序，实现巷道掘进设备工作参数的实时监控。现阶段，随着全断面岩石掘进机等设备应用的深入，煤巷掘进中的设备自动化程度不断提升。在实际控制中，应该结合采矿掘进的需要，对设备功率、推进方向、推进速度等参数进行自动调整控制，这样能有效提升掘进机的工作效率。另外，掘进机的自动控制还应表现在故障诊断层面，即采用自动控制技术后，应能实现掘进机具体故障的发现、报警，这样才能为技术人员的修复提供有效支撑，确保设备安全与掘进施工设备操作人员安全。
(3)掘锚一体化技术。落煤、装煤以及支护是煤巷掘进工序的三个主要环节[4]。当使用不同设备时，煤矿掘进设备的开机率会受到影响，同时受设备配套性因素的影响，设备的掘进速度会受到较大阻碍。基于此，应重视掘锚一体化技术的规范应用。在掘锚一体化下，应通过引入掘锚机来解决工序之间的影响作用，提升掘进的速度。值得注意的是，现阶段我国在掘锚机生产中尚显不足，但国外引入的掘锚机与国内矿井生产设计存在一定差异，故而还需进行掘锚一体化技术的深入研究，尤其是要重视掘锚机的研究和生产。
(4)综合掘进机械化技术优化。煤矿企业生产实践表明：在煤巷掘进施工中，联合使用连续综合掘进机械化与锚杆支护技术，能有效地提升煤矿掘进的效率，达到高效快速掘进的目的。故而在新时期煤矿巷道生产中，一旦条件允许，则应重视该技术方案的推广和应用。
3.2巷道掘进支护技术优化
支护技术的应用直接关系着煤矿巷道掘进的安全性，并且对于煤矿企业的生产效益具有较大影响。新时期，在煤巷高效快速掘进技术优化中，有必要进行巷道支护技术的优化。
(1)巷道支护形式应用问题。架棚支护、预留煤柱、架设可缩性支架是巷道掘进支护的三种基本类型。煤矿架棚支护中，前探梁发挥着超前临时支护的作用，就前探梁本身而言，多选择工字钢、π梁等材料，这些材料通过圆钢挂钩进行固定。在实际固定中，每根前探梁多设置3处悬挂点，这些悬挂点会通过木楔楔实吃劲。要注意的是，这种临时性的支护方式对顶板支撑力很小，而且支护操作的难度较大，整体安全性较差，故而需进行临时支护措施优化。
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作为较为传统的支护方式，预留煤柱虽然能为航道提供一定的支撑力，且整体施工方便，但该方法的技术成本较高。当掘进中造成煤柱损失后，会给巷道的维护工作造成较大影响。并且要注意的是，煤柱的支撑荷载会传输到巷道底部，一旦对相邻的巷道产生影响，就会直接威胁巷道掘进施工的安全性。
可缩性支架包含多重形式，机载临时支架支护是煤矿巷道可缩性支架支护的基本形式，其支护的速度优于前探梁，但该技术的应用存在以下缺陷：一是掘进机截割和移动时不能使用支护机对顶板进行支护，导致在掘进中存在空顶问题;二是在机载支架护顶时会占据较大的空间，这影响了施工的便捷性;三是该技术防护的范围同样有限，容易出现片帮坍落风险，安全风险较大。
自移式迈步支架支护是基于液压系统自动移动的一种支护方式，虽然实现了支护施工的机械化、自动化处理，但该支护系统的支架过于复杂，尤其是较大的体型使得其在巷道中的适用性不强，整体移动困难，影响了巷道的掘进效率[5]。
(2)巷道掘进支护技术优化的方向措施。新时期，要实现巷道支护技术的优化，就必须了解巷道支护效果的影响因素。从施工过程来看，地质条件、施工工艺、人为因素是影响巷道支护效果的重要因素。结合这些因素，在巷道支护技术优化中，应注重以下技术要点：其一，开展巷道支护，应做好矿井的勘察工作，确定岩层的性质、成分、结构等情况，以此来为巷道支护措施的应用创造有利条件，提升支撑结构的承载性能。其二，锚杆支护是当前较为常用的支护技术，该支护技术能在改善航道结构的基础上，实现巷道掘进效率、安全与采煤效益的高度统一。在锚杆技术应用优化中，首先，应做好锚杆构件的系统管理，即应在扭矩螺母的作用下，实现锚杆托板与巷道表面的持续挤压，以此来改变巷道围岩的应力状态。其次，当巷道存在软岩时，应了解软岩的性质，针对性进行支护技术改进。第三，应了解巷道的相关参数，结合巷道参数变化情况改进支护方法，保证支护效果。第四，当巷道区域存在破碎岩体时，应采用锚网索进行支护，确保巷道安全性。第五，整体支护中，应实现支护体与围岩的有效结合，高效解决巷道薄弱环节，处理巷道位移和变形问题等。
3.3巷道运输技术优化
带式输送机的应用能有效地提升煤矿开采的运输效率，这不仅包含了输送带、辊组、滚筒组等单元，而且涉及驱动装置、逆止器、拉紧装置、导料槽等构件。采用带式输送机输送采集煤炭资源，具有较高的可靠性，而且煤炭运输的消耗较低、运输效率较高。新时期，在巷道运输系统优化中，应深化带式输送机的推广和应用。在该技术推广中，还应结合实际的工作环境，对输送线路、输送带、物料性质和输送量等参数进行系统设计。如在输送线路和输送带设计中，不仅应考虑输送线路倾角、最大长度、提升高度等因素，而且需考虑曲线段尺寸、连接尺寸等参数。而在物料的性质和输送量设计中，应从松散密度、安息角、物料的粒度等多个层面开展设计，这样才能有效地提升巷道运输效果，满足实际生产需要。
4煤巷高效快速掘进技术应用
某巷道井下开采存在失衡问题，选择井下A作业面进行研究，该作业面处于煤层厚度介于4.0~4.5m，上部覆岩厚度介于90~130m之间。煤巷掘进中，由于直接顶粉砂岩层，岩层厚度为3~15m，这使得快速施工中存在顶部脱落问题，对于巷道掘进的效率和安全造成较大影响。
为解决这些问题，本煤矿在使用全断面岩石掘进机进行快速掘进的同时，重点开展煤巷的支护优化。在优化中，结合煤巷性质、成分、结构情况，进行单排锚杆数验算和锚杆长度计算，最终采用锚杆+连续梁的方式进行支护，使以往锚杆数量多、密度高的问题得到了有效改善，而且极大地缩短了支护作业耗时，保证了巷道支护效果。最后对胶带机进行改良，解决运输系统停机问题。这些处理措施有效地解决了以往煤巷掘进效率低下、安全风险突出的问题，达到了煤巷高效快速掘进的效果。
5结束语
煤巷高效快速掘进对于提升煤矿企业生产效益具有深刻影响。新时期，煤矿企业生产人员只有充分认识到煤巷掘进的影响因素，然后基于当前煤巷掘进技术，进行掘进、支护和运输技术的系统优化，并深化优化后的技术在项目实践中的应用，这样才能真正提升煤巷高效快速掘进技术应用水平，保证煤矿生产效率与安全，并促进整个采矿行业的持续、稳定发展。——论文作者：李宏弢
