15204 工作面机械化快速沿空留巷成套装备及工艺的实践

田 方

（山西陵川崇安关岭山煤业有限公司，山西 晋城 048313）

1 工程概况

山西陵川崇安关岭山煤业兼并重组后矿区总面积7.19 km2，地质储量31 553.9 kt，生产规模60万t/a，主要开采2#、3#、15#煤层。

15204 工作面位于二采区东翼，其中工作面长度151 m，巷道长度1074 m，留巷 1044 m，工作面平均埋深约130 m，主要开采15#煤层。煤层厚度为2.75～5.34 m，平均厚度4.19 m；煤层倾角为0～10°，平均倾角6°；K2 灰岩顶板，厚度为4.8～9.7 m，平均厚度7.5 m。15204 工作面运输巷沿15#煤顶底板布置，净宽5 m，净高4.3 m，锚网支护。

2 沿空留巷技术方案的设计

2.1 沿空留巷技术以往应用分析

关岭山煤业从2010 年起开始应用沿空留巷技术进行开采。该煤矿30104 工作面曾采用巷旁无充填自然矸石垛支撑法进行沿空留巷，效果显著，但问题较多。该工作面沿空留巷技术应用过程中问题主要表现在：（1）巷道顶板下沉、易发生底鼓，巷道两帮鼓出量大，巷道维护困难；（2）留巷支撑压力区单体损坏率高达35%左右；（3）动压影响范围高达120 m 左右，须铺设多部刮板输送机用于接力出渣，工作量大，设备维护和管理难度较大；（4）留巷段内作业空间狭小，支设有密集单体，工作量多且劳动强度大，安全系数较低。因此，该沿空留巷技术方案有待优化改进。

2.2 沿空留巷技术方案的设计

基于提高留巷效率，降低留巷成本，改善工作环境的目的，在关岭山煤业15204 工作面设计应用切顶爆破卸压110 工法，其布置方式如图1。在工程研究中，基于15204 工作面地质、工艺等情况，在实验室进行基础研究、模拟试验和理论分析，在现场进行切顶卸压条件下无煤柱自成巷开采技术应用试验，实行室内研究与现场工作互补。项目设计围绕“切顶卸压自成巷、安全高效低成本”为中心开展，并制定相应施工工艺、生产组织和配套的安全措施[1-6]。

图1 切顶爆破卸压110 工法布置方式示意图

具体实施方案：在超前工作面50～70 m 位置设计超前预裂爆破切顶卸压，将巷道空区侧顶板沿走向拉开一条缝，降低留巷受采动影响压力，进而可以大幅度降低留巷的变形量，保持巷道围岩的稳定性。在矿山压力作用下顶板沿切缝面垮落形成巷帮，降低留巷围岩应力。采用可伸缩U 型钢支架配合双层金属网，对留巷空区侧进行挡矸和支护。15204 工作面为中薄煤层开采，工作面推进快，沿空留巷进度慢，施工安全性能较差。为实现快速沿空留巷，制定了机械化快速沿空留巷成套装备及工艺，为实现安全高效开采目标奠定基础。

3 机械化快速沿空留巷成套装备及工艺设计方案

基于切顶爆破卸压110 工法开采技术的施工过程，在预裂爆破孔环节、沿空留巷成巷整修环节、出渣环节进行了机械化快速施工作业设计，如图2。

图2 机械化快速沿空留巷作业设计示意图（m）

3.1 DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机

15204 工作面“切顶卸压沿空成巷”工艺流程中，其关键工序是在巷道顶板施工一排定向爆破孔，为回采过程中爆破切顶做前期准备。爆破孔的施工必须满足成孔质量较好、钻孔角度误差小、所有钻孔需成一条直线、所有钻孔平行等要求。针对高质量成孔要求，确定采用DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机进行施工，结构示意图如图3。

图3 DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机结构示意图

切缝预裂爆破钻孔施工方案：采用DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机在顺槽巷道走向沿工作面进行超前煤壁施工切顶卸压的方式进行超前爆破，切顶线位于工作面侧巷帮200 mm 位置处，切缝钻孔设计规格为Φ50 mm×85 000 mm，切顶线上布置单排钻孔，间距600 mm。

3.2 MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机

在15204 工作面“切顶卸压沿空成巷”工艺流程中，设计在沿空留巷成巷整修段采用MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机进行扩帮卧底。MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机主要由挖斗、工作装置、回转平台、液压系统、底盘总成、机罩、电气系统等组成。该设备主要应用于坡度小于4%的巷道掘进中的装岩、清底、扩帮、扩顶的挖掘作业。

MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机结构设计紧凑、设备尺寸较小，可以在留巷狭小空间内完成卧底、扩邦、扩顶等整修工作。回转平台可完成180°旋转，机械臂和铲斗完成360°旋转，在成巷整修段时能实现机械化无死角施工作业，大幅度提高工作效率，降低职工劳动强度。

3.3 DSJ65/10/2×40 型自移式带式输送机

在15204 工作面“切顶卸压沿空成巷”工艺流程中，在出渣环节设计采用DSJ65/10/2×40 型自移式后置驱动变频永磁滚筒带式输送机进行出渣。该设备与转载机搭接情况如图4。

图4 带式输送机与转载机搭接示意图

DSJ65/10/2×40 型自移式带式输送机采用后置驱动方式，在15204 工作面布置时将设备驱动装置固定在留巷最里端，不随巷道推进进行外移；卸载装置与转载机机尾采用万向联轴节连接，随工作面推进自移前进；伸缩部布置在留巷中部，采用多节储带仓进行延长。采用一部DSJ65/10/2×40 型自移式带式输送机进行出渣的方案设计，大幅度简化了以往采用多部刮板输送机接力出渣的运输环节，适合在15204 工作面留巷空间小、巷道变形快、卧底量大条件下应用。

4 实践应用效果分析

（1）机械化快速沿空留巷成套装备及工艺应用有效提高了15204 工作面沿空留巷效率，实现了中煤层工作面沿空留巷的机械化修复，留巷内作业的工作人员数量大幅度减少，工作人员劳动强度大幅度降低，留巷内设备运输工作量大幅度降低，井下安全事故发生率大幅度降低，有效实现了15204工作面安全高效留巷的目标。

（2）机械化快速沿空留巷成套装备及工艺应用大幅度提高了留巷内工效，留巷内工效从以往的0.13 m/工提高到0.28 m/工，工效提高了115%。

（3）机械化快速沿空留巷成套装备及工艺应用大幅度降低了沿空留巷成本。沿空留巷每米成本从以往5084 元降低至2562 元，沿空留巷每米成本降低2468 元，降低幅度高达48.5%。15204 工作面留巷长度约910 m，对比之前留巷技术节约成本约225 万元，经济效益显著。