矿井坚硬岩层巷道快速掘进技术探析

王浩伟

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部赵庄二号井，山西 长治 046000）

0 引言

当前矿井煤炭普遍采用人工钻爆法（95%）掘进硬度达6 以上的岩层巷道，有效降低作业人员劳动强度，每月平均可掘进70～80 m。但是实际矿井开采作业环境恶劣，采用人工钻爆法安全风险大、粉尘含量高，掘进速度慢、截割齿消耗大、成本高，不利于矿井高效生产。基于此，山西某矿引入综合巷炮眼钻机、运料、挖掘、围岩支护的钻装掘锚机，并结合深孔爆破技术建立坚硬岩层快速掘进体系，实现高效掘进硬岩层巷道。

1 南三采区

山西某矿南三采区需掘进一条长2368 m 的巷道（该巷道为25 m 砂岩层，位于5 号煤层底板下方），巷道直墙半圆拱断面27.58 m2，需掘进巷宽、高分别为6.3 m、5.05 m。项目中采用锚网索喷进行回风巷围岩支护，以800 mm、800 mm 的间排距布置18 根锚杆作为断面；按照1600 mm、800 mm 的间排距布置5 根锚索。完成支护后，对巷道表层进行混凝土喷射，喷射厚度为150 mm；底板地坪混凝土喷射100 mm，均采用C25 混凝土[1-2]。该项目中综合1.5 t 矿车、型号为DSJ-800 的带式输送机、翻料机以及120 型耙矸机等组合出矸掘进中所形成的矸石。由于砂岩层的坚硬程度较大，导致人工钻爆法掘进巷道效率低，每月平均掘进70 m，实际施工需要较多作业人员，项目劳动强度大。基于此，为了促进机械化巷道掘进引入CMZY4-200/35 钻装掘锚机，并利用中深孔爆破破岩。实践表明，掘进效率显著提高。

2 巷道掘进方案

2.1 CMZY4-200/35 钻装掘锚机概况

由于我国复杂的煤矿地质条件，加之落后的传统掘进设备，导致巷道掘进工作面临着效率低下、机械化程度低等困境。传统模式下，悬臂式掘进机与单体锚杆机协作，共同开展掘进工作，不符合快速发展的机械化、智能化潮流，出现了很多弊端。为了解决传统掘进设备带来的问题，提高掘进工作效率，目前国内外大部分掘进设备制造企业创新、升级、研发出悬臂式掘锚一体式设备，以悬臂式掘进机为主体[3-4]。同时在掘进机的履带上方、掘进机两侧附加机载锚杆钻机的锚臂，掘进机和机载锚杆机的分工明确，交替作业，实现了全方位的机械化作业。该设备的应用，一定程度上提升了掘进工作开展的速度，促进了掘进工作的智能化和机械化发展，改善了掘进工作的开展环境，提高了掘进工作的效率。

机载锚杆钻机的伸缩臂是该设备开展工作的主体构件，主要功能是灵活移动锚杆钻机、固定锚杆支护孔位等。施工时通过油缸配合锚臂的升降、摆动等操作，实现伸缩臂的灵活移动，缩短锚杆钻机与施工对象间的距离，便于开展锚杆支护工作，伸缩臂的灵敏度在一定程度上决定了锚杆支护工作的效率。按照支护工作量与锚杆（索）数量的比例关系，支护工作对锚杆钻机的伸缩臂提出了相应的要求，主要体现在伸缩臂活动的速度、灵敏度、准确率、耐用性、刚度、硬度等方面[5-6]。

完成掘进设备的支护工作后，为了避免锚杆钻机的伸缩臂与掘进机控制台产生碰撞，设备生产厂家需要扩大锚杆钻机伸缩臂与回转台间的距离，根据设备的整体结构，还需要考虑伸缩臂的最大伸缩距离以及伸缩臂的刚度和灵敏度。通常情况下，伸缩臂的最大伸缩距离大约要控制在50 cm，设备的结构主要分为新型单臂伸缩臂和四连杆式伸缩臂，其他的结构形式较为少见[7]。

CMZY4-200/35 型号的钻装掘锚机为模块化组合结构如图1 所示，功能较为丰富，主要包括钻孔钻进、出渣、围岩支护，可实现智能布孔、精准定位。设备运行时基于分组控制，在液压系统与电气系统的协同作用下可开展围岩支护、外运矸石、钻进炮眼等系列作业。

图1 CMZY4-200/35 钻装锚掘机结构

2.2 中深孔爆破技术

综合考虑南三采区集中回风巷的基本情况后，选择预裂爆破技术破岩：首先在轮廓线布置周边眼；其次引爆周边眼（需严格按照要求使用煤矿许用炸药）。周边眼被引爆后，形成破裂面，破裂面相互贯通；第三步主体爆破，可采用掏槽眼的方法，并对坚硬的岩体进行碎碎掘进。从工艺方面分析，中深孔爆破需要满足下述要求[8]：本项目中布置间距450 mm 布置周边眼。在正常情况下，周边眼间距宜控制在250～450 mm。按照450～500 mm 的间距布置二圈眼，二圈眼到周边眼的距离为500 mm。该距离一般以1～1.3 倍周边眼间距为宜。将尺寸为Φ25 mm 的小药卷装入周边眼内，结构为不耦合正向连续装进，需装入70～150 g 药卷。

引爆周边眼时所采用的电备管必须为同一段毫秒电雷管，分2 次引爆巷道顶部炮眼。第一次起爆二圈眼、内炮眼先装药；第二次爆破周边眼及二圈岩装药。岩石经过2 次爆破后，表现为光面层。

2.3 掘进技术方案

该项目在打眼、出矸、支护中均使用CMZY4-200/35 钻装掘锚机，整个项目为全断面中深孔爆破掘进。掘进迎头处以正向装药中深深炮眼，毫秒延时电雷管引爆1～5 段，分装装药、分次爆破。现场施工中，爆破一班主要负责钻进炮眼、退机，在安全区域开展爆破作业；支护一班负责板锚杆施工、锚索等，所使用的设备为MQT-130 钻机；平行出矸，使用的设备为CMZY4-200/35 钻装掘锚机。出矸后，支护二班负责施工巷帮锚杆，所使用的设备型号为CMZY4-200/35 钻装掘锚机。掘进过程中通过带式输送机将迎头产生的矸石输送至临时矸石仓，并由矿车运输，快速运出矸石。

3 应用效果分析

引入坚硬岩巷快速掘进技术后，每月可掘进95.6m，每月掘进速度提高了36.6%（传统方法平均每月可掘进70 m）。此外，相较于传统人工钻爆法，该技术可显著改进作业环境，缓解现场作业人员工作压力、劳动强度。

据悉，应用坚硬岩巷快速掘进技术后，南三采区集中回风巷现场作业呈现出诸多优点：

1）作业点人数有所降低。如采用传统掘进法，每个圆班需要50 名作业人员；引入该技术后每个班组只需要32 个人即可完成巷道掘进。作业人员普遍反映引入CMZY4-200/35 钻装掘锚机后，显著降低劳动强度[9]。

2）掘进速度得以提升。传统的掘进方法，平均每月可进尺掘进巷道70 m；引入快速掘进技术之后，每月掘进速度提升了25.6 m，速度提升了36.6%。综上，运用快速掘进技术显著提高单月掘进进尺，更有利于开拓矿井。

3）现场采用自动化程度高。钻装掘锚机型号为CMZY4-200/35，该设备占用空间小，工作简便，可减少掘进迎头供电线路，后续维护简便。成本方面，本项目掘进回风巷平均成本为7081 元/m；其中掘进回风巷需要2586 元/m 人工成本、1470 元/m 机械成本、3025 元/m 材料成本。综上，采用坚硬岩巷快速掘进技术综合成本更低，为南三采区集中回风巷掘进节省大量成本。

4 结语

如采用传统人工钻爆法，不利于南三采区集中回风巷施工，存在掘进进尺速度慢、作业量大、环境恶劣等问题，影响矿井南三采区施工进程。因此，决定引入工作可靠、自动化、功能齐全的CMZY4-200/35 钻装掘锚机矿井南三采区的巷道，并综合运用中深孔爆破。实践表明该采区通过引入坚硬岩层巷道快速掘进技术显著减少现场工作量，包括掘进巷道、辅助运输等。每月掘进巷道95.6 m，单月掘进速度提升了36.6%，作业施工人数减少36%，仅需32 人就可完成原来50 人才可完成的工作。综上，坚硬岩巷快速掘进技术可显著提高炮眼施工、巷道围岩支护效率。此外，创新、升级、研发的新型悬臂式掘锚机的钻臂，为新型掘进设备在施工中的推广和应用贡献了力量，推动新型掘进设备淘汰传统悬臂式掘进机与单体锚杆机协作模式的速度，一定程度上奠定了掘进工作机械化、智能化生产的基础，有利于锚杆（索）支护工作的开展，提高工作效率。