煤巷快速掘進(jìn)及支護(hù)設(shè)備研究分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭資源需求量越來越多。在煤礦生產(chǎn)中巷道掘進(jìn)是很重要的環(huán)節(jié)，“采掘并重，掘進(jìn)先行”，巷道的快速掘進(jìn)是保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。掘進(jìn)技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主體的高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件。近年以來，隨著能源結(jié)構(gòu)與增長方式調(diào)整，煤炭產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，煤炭經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形勢日趨嚴(yán)峻，采掘失調(diào)、煤巷掘進(jìn)速度偏低的突出問題愈加嚴(yán)重，礦井開采準(zhǔn)備周期長，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本高。為實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)和低成本運(yùn)行，因此，突破煤礦巷道快速掘進(jìn)及超前臨時(shí)支護(hù)技術(shù)成為關(guān)鍵性問題。

1 我國煤巷掘進(jìn)需求巨大

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤巷、半煤煤巷、煤巷的掘進(jìn)量超過15000km/a，掘進(jìn)速度和支護(hù)質(zhì)量的要求越來越高。巷道掘進(jìn)速度的快慢是煤礦實(shí)現(xiàn)礦井安全、高產(chǎn)、高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大多數(shù)煤礦存在采掘比例失調(diào)問題，為緩解巷道掘進(jìn)引起的回采工作面接續(xù)緊張問題，新工藝、新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn)。機(jī)械化、自動(dòng)化裝備應(yīng)用于主巷道掘進(jìn)中的掘、支、運(yùn)等工序中，掘、支、運(yùn)三位一體、平行作業(yè)是未來巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢。

2 煤巷快速掘進(jìn)的影響因素

2.1  煤層巷道的地質(zhì)條件

對(duì)煤巷進(jìn)行掘進(jìn)的時(shí)候，巷道條件是對(duì)其產(chǎn)生影響的最大因素。如若巷道巖層的硬度過高，便會(huì)造成其掘進(jìn)作業(yè)難度更大，且在不斷掘進(jìn)當(dāng)中會(huì)對(duì)器械產(chǎn)生比較大的磨損，進(jìn)而對(duì)煤巷快速掘進(jìn)的效率產(chǎn)生重要影響。除此之外，巖層的實(shí)際滲水情況與瓦斯等，都是巷道的實(shí)際地質(zhì)條件。

2.2  掘進(jìn)設(shè)備的技術(shù)性能

掘進(jìn)設(shè)備的技術(shù)性能是對(duì)掘進(jìn)速度產(chǎn)生影響的主要原因，現(xiàn)階段，我國的快速掘進(jìn)設(shè)備和發(fā)達(dá)國家進(jìn)行對(duì)比依然存在差距，這對(duì)快速掘進(jìn)的速度產(chǎn)生巨大影響，特別是對(duì)于重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研究與開發(fā)上，我國依然缺少獨(dú)立技術(shù)，這是當(dāng)前我國掘進(jìn)設(shè)備的不足所在。

2.3  掘進(jìn)支護(hù)的施工工藝

現(xiàn)階段的煤巷快速掘進(jìn)中，許多作業(yè)都是在支護(hù)工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)機(jī)的效率產(chǎn)生了制約?，F(xiàn)階段，我國最為明顯的問題主要是支護(hù)作業(yè)存在一定的滯后性，例如，對(duì)錨桿進(jìn)行打眼的時(shí)候發(fā)生跑偏的現(xiàn)象，且對(duì)錨桿進(jìn)行排列方面也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，造成支護(hù)速度沒有辦法跟上掘進(jìn)作業(yè)的速度。

3 煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)

3.1  光面爆破技術(shù)

我國在上世紀(jì)六十年代開始對(duì)預(yù)裂爆破和光面爆破進(jìn)行試驗(yàn)和推廣，到七十年代左右已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水利、地下建筑以及煤礦行業(yè)中。煤礦煤巷工程技術(shù)在有效統(tǒng)一的光面爆破技術(shù)與錨噴支護(hù)技術(shù)后已經(jīng)比較完善。在保證施工質(zhì)量及安全性、提升掘進(jìn)速度、降低體力消耗和減少材料消耗上，都獲得了比較理想經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。近年來，我國在地下與煤礦工程中廣泛應(yīng)用了光爆錨噴支護(hù)技術(shù)，并且體現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果，其優(yōu)勢主要有三點(diǎn)：首先，效率得到了提升，便于機(jī)械化的開展，有效降低了人工勞動(dòng)的成本;其次，光爆錨噴施工的質(zhì)量比較高，降低了圍巖松動(dòng)、破壞以及位移發(fā)生的概率，進(jìn)一步提升了安全性;最后，大幅度降低了成本的損耗。光面爆破其實(shí)從本質(zhì)上講，就是利用裝藥構(gòu)造的獨(dú)特性，選用科學(xué)的光爆參數(shù)以及起爆次序，使得實(shí)現(xiàn)了光滑、平整巖石壁面的開掘。

3.2  支護(hù)技術(shù)

實(shí)時(shí)支撐圍巖是在開挖煤巷后必須及時(shí)進(jìn)行的作業(yè)內(nèi)容，以此來避免出現(xiàn)巖石破碎冒落的情況發(fā)生。目前，我國在煤礦施工主要采用的是錨桿支護(hù)，其主要是利用錨入圍巖的錨桿，來改變圍巖力學(xué)的狀態(tài)，促使巷道周圍形成穩(wěn)定的巖石帶，從而利用錨桿與圍巖的一起作用實(shí)現(xiàn)巷道的支護(hù)。與架棚支護(hù)相比，這種支護(hù)方式的優(yōu)勢就比較明顯，比如可以降低通風(fēng)阻力、適應(yīng)能力強(qiáng)、工作安全、巷道變形情況少以及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，同樣這種支護(hù)方式也存在著一些不足，如不能有效預(yù)防圍巖的風(fēng)化、不能避免錨桿之間裂隙巖石的剝落。所以，在使用這種支護(hù)技術(shù)的過程中要結(jié)合其他的支護(hù)手段一起。錨噴支護(hù)是近些年來發(fā)展和應(yīng)用較廣的一種支護(hù)方式，可以最大程度提升其經(jīng)濟(jì)效益。

3.3  輸送系統(tǒng)技術(shù)

在以往的煤巷掘進(jìn)技術(shù)中，絞車、電瓶車以及耙裝機(jī)是常見的輸送方式。這種輸送的手段不僅無法最大程度提升輸送的效率，還會(huì)在輸送中存在眾多安全問題，會(huì)對(duì)掘進(jìn)的速度產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。因此，需要進(jìn)一步優(yōu)化輸送的方式，這是提升煤巷掘進(jìn)技術(shù)的重要手段。利用膠帶輸送機(jī)就可以有效解決上述問題，其優(yōu)勢主要有：其由于自動(dòng)化集中控制手段使得維護(hù)和操作起來比較方便，輸送成本也得到了降低、并且提升了煤巷掘進(jìn)管理的安全性以及減少了人工勞動(dòng)的強(qiáng)度，同時(shí)這種輸送方式還具有緊湊的結(jié)構(gòu)，使得耗能會(huì)相對(duì)比較少。

4 臨時(shí)支護(hù)技術(shù)

目前，超前臨時(shí)支護(hù)主要有3種形式：

①前探梁、帶帽點(diǎn)柱臨時(shí)支護(hù);
②機(jī)載臨時(shí)支架支護(hù);
③自移式邁步支架支護(hù)。

4.1  簡易臨時(shí)支護(hù)

對(duì)于國內(nèi)煤礦錨網(wǎng)索支護(hù)巷道一般采用帶帽（或木板）加木點(diǎn)柱或液壓單體柱，支撐在頂部下方作為臨時(shí)支護(hù)。架棚支護(hù)一般采用前探梁作為超前臨時(shí)支護(hù)，前探梁一般為工字鋼或π梁或鋼管，并用圓鋼掛鉤固定，每根前探梁懸掛點(diǎn)一般為3處，再用木楔楔實(shí)吃勁。這種簡易的超前臨時(shí)支護(hù)方式對(duì)頂板支撐力很小，頂板適應(yīng)性也不好，支護(hù)面積小，工序均為手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，支護(hù)速度很慢導(dǎo)致頂板空頂時(shí)間長，對(duì)頂板初期位移抑制效果很小，容易發(fā)生冒頂片幫事故，安全性差，不能滿足掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn)的要求，加劇采掘失調(diào)的被動(dòng)局面。

4.2  各種機(jī)載臨時(shí)支架支護(hù)

以懸臂掘進(jìn)機(jī)為平臺(tái)，加設(shè)支架。機(jī)載支架雖然在支護(hù)速度上相對(duì)前探梁快，但還存在缺陷：

①掘進(jìn)機(jī)截割和移動(dòng)時(shí)不能使用支護(hù)機(jī)構(gòu)對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，頂板在掘進(jìn)階段還會(huì)出現(xiàn)空頂?shù)臅r(shí)段;
②機(jī)載支架護(hù)頂時(shí)，截割頭和截割臂影響鉆孔注錨桿作業(yè)，占據(jù)大量作業(yè)空間，對(duì)施工極為不便，導(dǎo)致支護(hù)時(shí)間加長;
③護(hù)頂范圍非常有限，對(duì)破碎頂板的支護(hù)效果微小;
④對(duì)巷道片幫沒有臨時(shí)支護(hù)，容易發(fā)生片幫塌落，存在安全隱患，一定程度上影響掘進(jìn)速度。

4.3  自移式邁步支架支護(hù)

自移式邁步支架雖然實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)自動(dòng)移動(dòng)前進(jìn)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)支護(hù)的機(jī)械自動(dòng)化，也不影響巷道掘進(jìn)的平行作業(yè)，在部分地質(zhì)情況好的巷道取得了一定的效果，但是支架設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，體型笨重龐大，巷道斷面適應(yīng)性不強(qiáng)?？臻g有限情況下自移不方便，有時(shí)成為影響掘進(jìn)速度的重要障礙，對(duì)煤層起伏較大的巷道頂板適應(yīng)性較差，發(fā)生局部冒落，支架移動(dòng)困難。支架也沒有設(shè)置護(hù)幫機(jī)構(gòu)，對(duì)巷道兩幫變形不能及時(shí)支護(hù)。這些都成為影響煤巷道快速掘進(jìn)的潛在因素，一旦發(fā)生故障對(duì)掘進(jìn)速度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

5 結(jié)束語

煤巷快速掘進(jìn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各個(gè)環(huán)節(jié)的安全高效快速都對(duì)掘進(jìn)速度起著至關(guān)重要的作用，目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)配套錨桿鉆機(jī)的掘進(jìn)工藝機(jī)械化程度不高，速度不能發(fā)生質(zhì)的飛躍，但是局部細(xì)節(jié)的改造可以起到顯著效果。巷道斷面設(shè)計(jì)、掘進(jìn)機(jī)的局部改造、支護(hù)鉆架、掘錨護(hù)一體機(jī)、臨時(shí)支護(hù)挑架都是可以提高掘進(jìn)速度的方式，科研人員應(yīng)積極嘗試新的想法、新的思路，為快速掘進(jìn)事業(yè)開辟新的路徑，任重而道遠(yuǎn)。