岩巷快速施工技术现状与支护趋势设计专题报告

专题部分 岩巷快速施工技术现状与支护趋势摘要：随着我国的煤炭形势好转，煤矿采煤技术和采煤方法得到了不断更新。但是相比之下，掘进技术仍然没有得到很好的发展。主要是由于很大部分的矿井仍然机械化程度不高，且工艺组织不够合理，掘进速度受到一定的限制。本文阐述了水平岩巷道单巷掘进技术，简单叙述了巷道施工的破、装、运、支的基本工艺过程和岩巷水平单巷施工机械化配套作业线和现代岩巷支护趋势。在岩巷机械化配套作业线中，分别介绍了以侧卸式装岩机为主和以耙斗式装岩机为主的机械化配套作业线。从施工工艺、掘进设备、地质条件及施工组织管理等几个方面对快速掘进的影响因素进行了分析，并在此基础上为实现快速掘进提出了可参考的技术措施。关键词：岩巷； 快速施工； 支护1绪论1.1问题的提出我国煤炭开采以井工为主，煤矿巷道掘进与支护工程量很大。2004年国有重点煤矿掘进总进尺达5045km，其中煤巷约4480km，占88.9%；全国256个综采工作面年耗回采巷道820km，其中综掘总进尺达650km1。煤岩巷掘进与支护正在成为煤矿高效安全集约化生产的技术瓶颈，是当前煤炭工业急需研究开发的重大共性关键性技术，因此研究煤岩巷道的快速掘进技术对煤矿的高产高效有着重要的意义。巷道掘进是一个综合的施工工艺，它不仅取决于掘进设备的现代化程度，而且与各生产工序紧密相连。巷道的掘进速度直接影响了煤矿的开采速度，同时由于准备巷道不能按时就备，影响了工作面的及时接替。对于基层煤矿来说，煤巷掘进对生产的制约更明显、更直接。近年来，煤巷快速掘进技术在我国许多煤矿有了很大发展，但仍有些关键环节的技术未得到很好的解决。无论是引进还是国产的设备，一旦进入掘进循环系统，均难以达到快速掘进的要求，采掘比例失调现象仍很严重。这除了由于掘进机本身可靠性的影响外，主要配套环节，包括支护、转载、运输、供电、供排水、通风、通讯、安全等，是掘进速度受到制约的关键因素。据测算，一般情况下一个循环中支护时间占总时间的50%60%，切割占20%30%，系统的故障影响占10%15%。如能解决支护与掘进同步，就可大大提高单位时间内的掘进速度234。1.2岩巷掘进的发展现状随着煤炭工业的发展，煤矿建井技术水平有了很大提高。尤其是岩巷掘进技术，如锚喷支护技术的推广应用，中深孔爆破，机械化程度的提高，形成了比较成熟的机械化作业线，大大加快了岩巷掘进速度5。岩巷的掘进施工方面，世界上主要有两种施工手段：一是钻爆法施工，即传统的打眼、放炮、化整为零的掘进方法；另一种为采用掘进机整体掘进67。1.2.1钻爆法施工掘进1、凿岩机50年代初，我国生产出手持风动凿岩机，5段秒延期电雷管，中空钢钎和硬合金钻头，很快改变了手工打眼、多次放炮、劳动强度大、工效低的落后局面。随后，简易风动凿岩机钻架和气腿式凿岩机的出现，以及湿式凿岩的推行，摆脱了人抱钻的笨重劳动并改善了劳动环境，进一步提高了钻眼的效率，加快了掘进速度。70年代以后，又相继研制出凿岩台车、钻装机和液压凿岩机。近年来，由于液压凿岩技术的大力发展，形成了钻、装、运、支等机械化配套作业线；法、英、德等相继开发出了一机多用的机组，简化了工作面的作业设备，缩短了机械搬、调、运时间，提高了掘进工效和速度。美国采用内燃机钻车与铲运机(LHD)掘进岩巷，取得了良好效果，而且还开发出了微机控制的液压钻车8。2、爆破器材我国矿用炸药、爆破雷管、发爆器在近年来都得到了相应的发展，朝爆破更经济更合理的方向发展。我国的矿用炸药是以硝按类为主体发展起来的。到1954年，由解放初的3个品种增至包括矿用型的8个品种。70年代以来，又相继研制了含水类炸药：浆状炸药、水胶炸药、乳化炸药。爆破雷管有瞬发雷管、秒延期雷管和毫秒延期电雷管等。70年代末，非电爆管及其起爆系统问世后，我国研制了非电爆管和非电毫秒雷管，并在工程爆破上得到应用。3、爆破技术我国巷道钻眼爆破技术发展是迅速的。从浅眼爆破发展到中深眼爆破，从工作面多次放炮到全断面一次爆破，到70年代，毫秒爆破已得到普遍应用，大大提高了爆破效率和质量。70年代以后，光面爆破、预裂爆破得到了大面积推广应用，改变了普通的自由式爆破，实现了控制爆破。特别是光面爆破与锚喷支护相结合，实现了巷道支护的改革，在加快掘进速度、提高支护质量、降低成本等方面取得了显著的技术经济效果。4、装岩与运输装载与运输是巷道掘进中劳动量大，占循环时间最长的工序。60年代开始发展小型蓄电池机车、钢丝绳牵引卡轨车和轻型刮板输送机，代替了人力推车。70年代以来，先后研制成功耙斗装岩机、侧卸式装岩机、蟹爪装岩机及立爪装岩机。配套的运载运输设备也在不断改善，先后出现了QzP一160型桥式转载机、可伸缩胶带运输机等，以上各类设备的发展标志着我国岩巷装载运输机械化已有了一定基础。5、钻爆法施工技术的优缺点影响钻爆法施工的主要因素是：打眼数量、打眼质量、装药量及装药结构。钻爆法施工的优.点在于钻爆法施工具有灵，活、方便、成本低廉的特点，适应于各种自然环境和地质结构，可掘任何形状、长短的巷道，适合我国国情9。炮掘的潜力非常大，组织好炮掘巷道的快速施工，对于保持矿井正常的采掘关系，维持矿井的稳产、高产具有重要意义。钻煤法施工方法的缺点有(1)存在超挖，造成了预应力分布不均衡、出碴多、浪费喷浆材料、延长了施工时间等方面的现象，最终影响了岩巷单进的提高。(2)对围岩的破坏大，由于围岩岩性不均匀性，造成了对围岩不同程度的损伤，加大了支护难度，提高了支护费用。(3)工作面工人工作环境差1011。我国岩巷掘进施工的机械化水平、施工工艺、施工速度都还明显落后于发达国家，仍是目前矿山建设的薄弱环节，施工速度较慢，全国平均月成巷只6070m。发展钻爆法掘巷，优化爆破工艺，实现岩巷的快速掘进，成为我国中小型煤矿岩巷掘进施工的重点，通过近二十来的不断努力，采用钻爆法进行岩巷的掘进取得了成效。80年代在对国外技术研究的基础上，开始进行以侧卸式装岩机为主的机械化作业线的试验和推广工作。煤岩科学研究总院北京建井研究所等单位，在新汶矿区协庄矿试验以多台气腿式凿岩机、侧卸式装岩机为主的作业线，在掘进断面为15.74m的岩巷中，连续3个月成巷100m以上。1986年，我国在对国外技术研究的基础上实现了钻车国产化，以液压钻车、侧卸式装岩机为主的机械化作业线开始在我国煤矿推广使用，开滦矿务局在断面约15m2的巷道中分别创月进尺184.8m、210m、252.4m.的全国纪录。下面是近年来国内煤矿采用钻爆法施工快速掘进的一些实例：大同煤矿集团公司第二工程处掘进十队1030北轨道大巷施工，通过采取改变永久支护形式、中深孔爆破、多工序平行作业等措施，至1996年12月，快速顺利地完成了该巷道余下的238.86m的施工任务，平均月进尺113.8m，最高月进尺20lml2。西山煤矿采用了小循环快速掘进技术和中深孔断裂爆破技术，施工装备和施工方法仍采用风钻打眼、耙斗机装岩、小矿车运输，在劳动组织上采用“四六”制作业，打眼时采用多台风钻进行平行作业。月循环数75个，月进尺能达到110m左右13。新元矿采用侧卸式装载机、喷浆机、汽车、风钻和激光指向仪施工机械化配套，月进尺130m14。1.2.2岩巷综合机械化掘进全断面掘进机是实现连续破岩装岩转载临时支护喷雾防尘等工序的一种联合机组。岩石全断面掘进机机械化程度高，可连续作业，工序简单，施工速度快。1985年美国工程师Charels Wislson发明了隧道掘进机，通常这被第一台成功的在岩石中连续掘进的机器。1956年，Robbins为加拿大基础公司制造了第一台取得成功的岩石隧道掘进机，被用于多伦多市的Humber下水道工程，这是一台直径为3.28m的隧道掘进机，掘进一条长约4.5km、主要由砂岩、页岩、含石英的石灰岩组成的隧道，根据报告，岩石的抗压强度为5186Mpa 15。自50年代中期进行工业化生产以来，岩石隧道掘进机技术取得重大进展，掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点，在世界科技飞速发展的今天，更使掘进机有了广阔的使用条件，已广泛应用于各国的能源、交通、城建、国防等部门的地下工程建设16。现在全断面岩巷掘进机用于煤矿巷道掘进，平均掘进速度可达1020/日，平均月进一般为300400m。但是该类掘进机目前也存在一些问题，其中主要是掘进机庞大笨重，拆装时间久，转移运输不便，辅助作业时间长，机器作业率低，动力消耗大，刀具寿命短，其费用占总费用的85%，掘进成本高。而且要求所掘进巷道的曲率半径大，不适应我国的煤矿巷道要求。特别是岩性变化大，遇到涌水，断层破碎带等地质条件时适应性差，掘进速度明显下降，甚至无法工作。因此岩巷全断面掘进机的发展受到限制17。1967年，美国曾创造了月进2088.9m的世界纪录。掘进机施工巷道质量高，支护简单，工作安全，作业条件好，效率高。但该机构造复杂，成本高，对掘进巷道的岩石性质和长度均有一定要求18。全断面掘进机作业线在我国的研制是在70年代后期开始的。1986年6月，古交矿区建井一处在东曲平硐开始试用直径5m全断面掘进机机械化作业线，累计进尺超过3600m，最高月进尺202m。1988年4月1989年2月，直径3.2m全断面掘进机在云南羊场煤矿被使用，累计进尺I014m，最高月进尺260.17m，平均月进156.13m。2巷道的掘进技术2.1巷道施工的基本工艺过程我国岩巷掘进，仍以钻爆法为主要手段。钻眼爆破是掘进作业的重要工序。随着生产建设的发展，新型凿岩机具与爆破器材的不断涌现，爆破理论与破岩机理研究逐步深入，从而使钻眼爆破技术得到迅速提高。自上世纪70年代以来，我国巷道施工不论在装备、工艺和技术，还是在理论研究等方面均与国际水平处于同步发展的状况。掘进工作中各工序是周而复始进行的，如交接班、钻眼、装药联线、放炮通风、装运研石、支护等，使工作面向前推进一段距离称为完成一个循环。这也是钻爆法施工水平巷道的基本工艺过程19202122。2.1.1凿岩爆破巷道掘进的钻眼爆破技术是以提高速度、效率、质量，降低成本和改善劳动条件为主要目标，钻眼爆破技术是以新型钻眼机具、爆破器材的研制和应用互为条件，相辅相成，互相推动发展的232425。1、钻眼机具岩巷掘进中大量应用的是气动凿岩机，液压凿岩机还处于逐步提高的阶段，而内燃和电动凿岩机在煤矿中极少应用。煤巷掘进中主要应用手持式电钻。与气动凿岩机相比，液压凿岩机的特点是机械性能好，其冲击功、冲击频率和能量传递效率等指标均大为提高，凿岩速度高出1倍以上；可令岩层情况调整凿岩机性能参数，可采用旋转或冲击旋转等不同方式，在最佳工况下凿岩，并获得较高的凿岩速度；动力消耗少、能量利用率高，动力消耗仅为气动凿岩机的1/3一1/4；噪音低，污染小，改善了工作条件。目前液压凿岩机定型产品的重量较大，需要与液压台车配套使用，投资大，技术和维修要求高，尚未大量应用。但由于本身所具有的特点，是很有发展前途的钻眼机械。凿岩台车的应用，提高了掘进速度和效率，改善了劳动强度和条件，是巷道凿岩机械化水平进一步发展的标志。凿岩台车的基本结构是由推进器、支臂(钻臂)、车体、行走机构和供风、供水及液压操纵系统等组成。按装设凿岩机台数(支臂数)分为单机、双机、三机和多机凿岩台车。按行走机构分，有轨轮式、轮胎式和履带式。按行走机构的驱动方式分电力直接驱动、电力与液压驱动、风动和柴油驱动4种，我国煤矿巷道掘进常采用电力驱动的轨式和履带式两种。2、爆破技术爆破的效果和质量直接影响着装岩、支护的效率和质量，影响着掘进速度。爆破效果包括岩石破碎的块度、爆堆形状、巷道成形的规格、对围岩的损伤程度以及炮眼利用率和炸药消耗量等指标，应根据不同的岩层条件和设计与施工要求，正确地选用爆破方法，合理地确定爆破参数。(l)掏槽方法掏槽方法和掏槽眼的布置形式多种多样，应根据岩层性质、断面大小和一次爆破的进尺来选择。掏槽的形式可分为斜眼掏槽、直眼掏槽和混合掏槽三种。斜眼掏槽其特点是掏槽眼与工作面斜交，有单向掏槽、扇形掏槽、楔形掏槽和锥形掏槽等几种形式。前两种方法适合于巷道断面较小、具有明显层理的松软岩层或有软弱夹层或半煤岩巷的煤层上。应用最多的是楔形，它适合于各种岩层的浅眼爆破，根据巷道断面大小和岩层的坚固性合理确定炮眼的角度和数目。斜眼掏槽中各炮眼的装药集中于炮眼底部，以工作面为自由面，形成的槽腔呈楔形、角锥形，优点是适用于各种岩层，掏槽效果较好，所需槽眼数目较少，槽腔体积大，缺点是钻眼的方向和对称性要求较高，炮眼深度受巷道宽度限制，不利于多台凿岩机同时作业。直眼掏槽其特点是掏槽眼垂直于工作面且相互平行，炮眼间距小，炮眼装药系数一般在0.70.8。可归纳为裂隙掏槽、角柱状掏槽和螺旋掏槽三种类型。直眼掏槽的原理不同于斜眼掏槽，它不是以工作面为自由面，而是以空眼作为自由面和碎胀后的补偿空阿。直眼掏槽的优点是炮眼垂直于工作面，方式简单，可实现多台钻机同时作业和实现机械化钻眼，炮眼深度不受巷道断面限制。混合掏槽它是直眼与斜眼相组合的掏槽方法，其中斜眼与工作面有7585的交角，装药系数为0.40.5，在直眼爆破后起爆，以发挥抛碴和扩槽作用。适用于中硬以上岩层的大、中断面巷道。(2)爆破参数爆破参数主要包括：炮眼的直径、深度、数目和单位炸药消耗量等。炮眼直径炮眼直径的大小对钻眼效率、全断面炮眼数目、炸药消耗量和爆破块度及岩壁平整度等均有影响，应根据巷道断面大小、块度要求、炸药性能和凿岩机性能综合考虑，进行选择。炮眼深度炮眼深度决定了每一掘进循环的钻眼和装岩工作量、循环进尺以及每班的循环次数，须根据巷道掘进的作业方式、钻眼设备能力、岩层条件以及巷道断面尺寸等因素经综合考虑而确定。炮眼深度大，单位进尺的辅助作业时间短，装岩机的工时利用率高，但钻眼速度下降，或是爆破后围岩稳定性差，巷道难以维护。炮眼数目合理的炮眼数目应以保证爆破效果为原则。主要取决于岩石性质、巷道断面形状和尺寸、炮眼直径和炸药性能等因素。一般是先以岩层性质和断面大小进行初步估算，然后在断面图上做炮眼布置，得出炮眼数目26。2.1.2装岩与运输装载与运输是巷道掘进中劳动量大，占循环时间最长的工序27。1、装载根据工作机构和结构的不同，装岩机大致可分为：铲斗式、耙斗式、蟹爪式、立爪式和蟹立爪式等几类。最先推广使用的是铲斗式装岩机。近几年来，侧卸式装岩机在12m2以上的巷道掘进中已逐渐显示出它的明显优势。(l)铲斗式装岩机铲斗式装岩机按动力分有电动、气动、以及柴油驱动3种，行走机构是轨轮式的，适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中的水平巷道和倾角小于8的倾斜巷道。同时要求自轨面算起的巷道高度不应小于2.2m，巷道宽度以铺设单轨或双轨车道为限。铲斗式装岩机具有使用灵活、行走方便的特点，其结构紧凑，工作可靠，体积小；同时它装岩时，前方打眼工可站在岩堆上打眼，互相干扰小，易于实现凿岩与装岩平行作业。(2)侧卸式装岩机侧卸式装岩机的特点是铲斗正面铲取，侧转卸载。行走机构有履带式和轨轮式两种。其特点是装岩效率高，但是由于装岩机在巷道中频繁行走，不仅将巷道底板碾碎，形成大量淤泥给后续清理工作带来麻烦，也缩短履带行走部件的使用寿命。(3)耙斗式装岩机耙斗式装岩机适用于净高大于2m，净断面5m2以上的巷道。它不但可以用于平巷装岩，而且还可以在30左右的斜井装岩。它的特点是生产率高，产生粉尘较少，而且在装岩过程中不需铺轨，装岩时人工辅助工作量较少。(4)立爪式和蟹立爪式装岩机立爪式装岩机的主要优点是装研机构简单可靠，动作机动灵活，对巷道断面和岩石块度适应性强，能挖水沟和清理底板，生产率高。但爪齿容易磨损，操作也较复杂。蟹立爪式装岩机是吸取蟹爪式和立爪式装岩机的优点，采用蟹爪和立爪组合的耙装机构，从而形成的新颖高效装岩机。2、运输(l)工作面调车与转载装岩效率的提高，除了选用高效能装岩机和改善爆破效果以外，还应结合实际合理选择工作面各种调车和转载设施，以减少装载间歇时间，提高实际装岩生产率。加强装岩调车工作组织和运输工作，及时供应空车，运出重车。采用不同调车与转载方式，装载机的工时利用率差别很大，据统计我国煤矿用固定错车场时为2030%、用浮放道岔时为3040%、用长转载输送机时为6070%、用梭式矿车或仓式列车时为80%以上。(2)运输巷道施工除了要求及时地将岩石送出外，还需要将大量支护等材料运往工作面。我国煤矿巷道掘进运输多用电机车牵引矿车，将重车拉到井底车场，空车供应工作面。采区煤巷的运输多用刮板输送机和可伸缩胶带输送机将煤运至采区煤仓。近几年又开发使用了卡轨车和单轨吊等可往返的运输设备。2.2水平巷道机械化配套近几十年以来，岩巷施工机械化得到了巨大发展。70年代以来，气腿凿岩机的性能日趋完善，耙斗式装岩机得到推广，许多施工单位采用多台气腿式风动凿岩机与耙斗式装岩机或铲斗后卸式装岩机为主的配合方式，取得了良好成绩，创造了一批岩巷施工纪录。但是从总体上看，由于转载落后，这些较好成绩的取得只有在断面小、岩石条件好、施工队伍素质高、劳动强度大的情况下才有可能，而且很难持久。2.2.1岩巷施工机械化作业线l、耙斗装岩机为主的机械化作业线282930以耙斗装岩机为主的机械化作业线是目前我国煤炭系统岩巷掘进中最常用的作业线，使用面遍及全国大中小型矿井。由于耙斗式装岩机己形成系列，可根据巷道断面大小选用并配以多台气腿式风动凿岩机，适当的转载调车设施与支护设备，不同的施工工艺和劳动组织形式，可以形成不同能力的掘进机械化作业线，满足施工要求。图2.1以耙斗装岩机为主的巷道巷道设备布置示意图1-风动凿岩机；2-渣堆；3-耙斗式装岩机；4-胶带转载机；5-重车；6-电机车；-7硅喷射机：8-空车(l)作业线的主要设备作业线的主要设备有：气腿式风动凿岩机 若干台耙斗式装岩机 12台皮带转载机(或专用调车盘) 1台硅喷射机组 2台蓄电池电机车 12台13t矿车 若干个激光指向仪 1台局部通风机 1台为保证作业线的打眼能力，在工作面布置多台气腿式风动凿岩机同时作业。凿岩机台数根据巷道断面大小、分配到工作面的压风能力和施工队伍素质而定，一般每1.52.5m2掘进断面布置l台，实行定人、定机、定眼位打眼。(2)转载与调车在小断面单轨巷道施工中，用长胶带转载机完成转载。胶带转载机紧跟在耙斗机后面，胶带下面可容纳67辆lt矿车或是34辆3t矿车。大断面巷道施工中，装岩是劳动量大的工序，该工序花费的劳动量占总劳动量的40%，所用工时占循环时间的30%50%，可使用道叉存放空、重车，利用人力推车或是电机车牵引直接把矿车送到耙斗机后面进行装岩。(3)锚喷支护锚杆支护应紧跟工作面，尽量与掘进平行作业。它既是临时支护，又是永久支护的一部分。根据工作面岩性的稳定程度，既可锚喷，也可只喷不锚，甚至裸巷掘进。锚杆临时支护还可扩展为锚一网临时支护、锚-网-初喷临时支护等形式，初喷临时支护既可紧跟工作面后，也可在耙斗机后进行，喷厚一般为3050mm，通过需要单独占用循环时间。复喷成巷一般在耙斗机后进行，与掘进平行作业，与工作面距离可根据围岩稳定程度控制在一定范围内。(4)施工劳动组织当炮眼深度为1.62.4m，采用水胶炸药或岩石销按炸药、多段毫秒电雷管起爆时，一般循环进尺为1.42.0m，可采用“三八”制或是“四六”制的组织形式。“三八”制适用于岩石稳定性较差的巷道施工，两个班掘进并临时支护，一班进行永久支护。“四六”制适用于岩石稳定性较好的巷道施工，3个班掘进并进行锚杆临时支护，1个班进行初喷临时支护和复喷永久支护。根据实际情况，还可采用“三八、四六”制交叉作业形式。以耙斗装岩机为主的机械化作业线这所以能成为我国煤矿岩巷施工的主要作业形式线，主要原因是：组成作业线的主要设备构造简单，性能可靠，坚固耐用，井下维修方便，普通工人经过短期培训均能熟练地掌握；组成作业线的主要设备造价低，与我国井巷施工队伍的装备购置能力相适应；该作业线适用范围较广，对各种地质条件和工程条件的巷道均可采用：作业线各工序作业平行程度较高，循环时间短，劳动组织灵活，施工速度较快；耙斗机作业线的主要缺点是打眼机械化水平低，工人体力劳动强度大，装岩不彻底，有死角，作业环境较差。但根据我国的国情，今后较长时间内，以耙斗机为主的机械化作业线仍将是我国矿岩巷施工的主要形式。2、侧卸式装岩机为主的机械化作业线侧卸式装岩机的卸载条件及它与液压钻车的错车条件和液压钻车的最大打眼范围是决定该作业线是否实用的关键。图2.2以侧卸式装岩机为主的设备布置示意图1-侧卸式装岩机；2-放炮时装岩机位置；3-液压凿岩台车；4-硅喷射机；5空车；6-电机车；7-放炮开关；8-放炮时转载机位置；9-重车；10-胶带转载机(l)作业线主要设备主要设备主下：液压钻车 1台侧卸式装岩机 2台长胶带转载机 1台5t蓄电池电机车 2台1一3t矿车 若干辆硅喷射机组 2台局部通风机 1台激光指向仪 2台(2)存在问题以侧卸式装岩机为主的机械化作业线虽具有机械化水平高、施工速度快、工效高和改善了劳动条件、降低了工人体力劳动强度等优点，但要推广应用，目前仍存在以下问题：初期投资大；要求施工队伍素质高，维修力量强；工作面布置1台钻车，一旦出现故障，将严重影响正常生产；液压钻车及侧卸式装岩机的可靠性尚待进一步提高；液压钻车及侧卸式装岩机均为履带行走，使用范围有一定的局限，特别是对轨道运输的矿井，为此，不少施工单位针对装岩工作量大，侧卸式装岩机效率高的特点仍采用多台气腿式凿岩机打眼，组成气腿式凿岩机与侧卸式装岩机为主的作业线，在一定程度上缓解了上述矛盾。虽然不能全机械化，但使用效果尚好。3快速掘进的影响因素及其解决技术措施3.1快速掘进定义近年来，煤炭行业形势不断好转，矿山企业效益不断变好。为了追求企业的最好效益，产生了重采轻掘的观念，导致了一系列采掘不平衡的现象。这种现象成为了矿山企业经济效益提高一个重要瓶颈。人们开始意识到了掘进的重要性，提出了快速掘进，以达到矿山企业可持续发展。但是到底什么是快速掘进呢?1990年10月，徐州张集煤矿-700m东大巷，使用侧卸式装岩机与整列lt矿车配套装岩，调车用蓄电池电机车，月进260.7m。1977年12月马万水掘进队在邯郸矿区，使用1台ZXZ-60型蟹爪装岩机配合8m3梭式矿车装运研石，创造岩巷独头月成巷1403.6m的全国记录。济三煤矿在生产和建设过程中，注重科技进步，技术创新理念，采用世界采矿高新技术装备，矿井实现高度机械化、自动化和集约化矿井生产得到跨越式发展。2002年创出了煤巷锚网支护单头月进967m、岩巷锚喷支护月进212m的纪录。西山煤电集团公司西曲矿14301副巷掘进采用佳木斯煤机厂生产的S-100-41型掘进机割煤装煤，两部胶带输送机及一部SGW-40T刮板输送机运煤，采用SJ-80胶带输送机往工作面运送支护材料。当月完成进尺531m，创矿山近年来单头掘进最高水平。但是，许多矿井由于地质条件的限定，就算上了综掘设备，掘进速度也一直上不去，总的来说，巷道施工的机械化水平、施工工艺、施工速度都还明显落后于发达国家，仍是目前矿山建设和薄弱环节，施工速度较慢，全国平均月成巷只有5060m，生产效率低，平均不到1.0m/(工日)，施工设备虽然齐全，但性能较差，自动化水平不高，管理有待改进。快速掘进在各个矿区的概念是不一样的，总的应从三个方面来定义快速掘进。第一，掘进的辅助设施能否满足掘进需要。主要是指后续转载运输能否连续稳定，供电、通风、排水等辅助系统能否正常运行。第二，掘进工序有没有最大限度的平行作业。第三，掘进进尺应达到一定数量。按照人们的经验，一般情况下，煤巷综合机械化施工掘进速度在400m/月，岩巷钻爆法施工掘进速度在110m/月可以称得上为快速掘进。3.2快速掘进的影响因素巷道掘进是一个综合的施工工艺，它不仅取决于掘进设备的现代化程度，而且与各生产工序紧密相连。无论是引进还是国产设备，一旦进入掘进循环系统，均难达到快速掘进的要求。这除了由于掘进设备本身的可靠性的内部因素外，主要配套环节，包括支护、转载、运输、供电、供排水、通风、通讯、安全等，这些都是掘进速度受到制约的外部因素。3.2.1施工工艺施工工艺不能最大限度的平行作业是影响快速掘进的主要原因，这主要是因为设备本身的不足和地质条件的限定而引起的。目前综掘机配套的支护设备一般是单体锚杆钻机，锚杆安装采用人工进行，典型的生产线配备3台单体锚杆钻机，劳动效率较低。由于巷道支护作业是在空顶情况下进行的，支护的安全性受着巷道顶板条件的制约。当巷道顶板条件较好时，可以获得较大的空顶距，掘进与支护之间的影响相对较小，支护作业可以集中进行，以弥补单体作业效率低的缺点；巷道顶板条件不好时，就必须通过缩短空顶距，缩小循环进尺的方法来保证支护的安全作业，这样一来掘进速度就会下降，这也是总体综掘生产线掘进速度不能令人满意的一个主要原因。由于掘进设备的一些方面的局限性，所以施工工艺相对比较落后。岩巷掘进中，除少数矿井采用全断面掘进机外，其余仍以钻爆法为主。钻爆法施工具有灵活、方便、成本低廉，适应性强，可掘任何形状、长短的巷道等优点。但是如果爆破质量不好，就会存在超挖问题，巷道超挖后危害有四：一是造成了预应力分布不均衡；二是造成出碴多；三是浪费喷浆材料；四是延长了施工时间，最终影响了岩巷单进的提高。由于工作面临时支护简单，临时支护占用时间不多，但在实际施工中，由于临时支护存在着滞后割煤的缺点对顶板离层的控制效果不好，给永久支护和巷道日后维护都带来了一定的困难。因此，应发展工作面掩护支架，使掘进机割煤和临时支护能够平行作业，进一步简化工序，改善巷道支护效果，才能更好地保证安全生产。根据统计资料，巷道掘进作业中的支护时间要占总作业时间的70%，虽然在煤层及半煤岩巷道中采用了锚杆、锚喷和锚梁网等支护手段，简化了巷道的支护作业，但掘进巷道作业中的掘进与支护的分离，是进一步提高掘进巷道速度的最大障碍。岩巷掘进支护和出碴工序占用的时间更长，由于很大一部分矿井都趋于老化，风钻风压不够，打眼速度慢。严重的影响了下一工序的正常进行，通常造成一个班不能在规定的时间内完成额定任务。同时，矿井老化导致一些设备的维修期过短，故障频繁也是影响施工工艺的一个重要原因，设备的故障会导致施工工艺的不连续性，造成井下有人没活干的误工现象。3.2.2掘进设备随着煤炭技术的发展，掘进新设备新技术的不断出现，掘进速度已经上了一个台阶，是就全国总体水平来看，掘进装备虽然齐全，但是性能较差，自动化水平不高。我国煤巷综合机械化掘进设备的研制和应用始于20世纪60年代，以功率3050kw的小型悬臂式掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期，为适应煤矿机械化生产发展的需要，我国采用技贸合作方式引进了当时具有先进技术水平的AM50型、S-100型悬臂式掘进机。同时，国内通过吸收消化积极研制开发了适合本国煤层地质条件和矿井生产工艺的综合机械化掘进设备，已研制生产了20多种型号的掘进机，初步形成系列产品，对促进我国煤巷机械化掘进技术发展和应用发挥了重要作用。我国现役掘进设备以引进生产的AM50型、S-100型掘进机为主，同时国内研制开发的EBM、EBJ系列掘进机也得到广泛应用，全国已累计生产装备近400台悬臂式掘进机。煤巷掘进综掘机己经普遍得到了应用，但是国产掘进机性能差，质量不高，刀具消耗量大，掘进机的维修周期短，需要研究高可靠性、大功率以及自动化程度不断提高的掘进设备。目前，综掘工作面的设备造成事故居高不下，掘进机事故占相当大的比例，分析其原因，不按规章操作，维护不及时是一方面；另一方面，掘进机各部件的质量与井下恶劣的地质条件不适应也是一个关键因素。例如：掘进煤巷时，经常要碰到煤层中的夹石以及一些易冒落的伪顶，必须用掘进机割，而一旦割石头，掘进机事故必然增多。应提高掘进机元部件的可靠性及寿命，并增加机器的切割力，发展掘进机自切控制技术，使其在掘进方向和切割断面轮廓上实现可视化监视并能够调节控制，这样，既提高了工作的稳定性，又可对提高掘进速度起到事半功倍的效果。目前，掘进工作面进行锚杆支护普遍采用单独的风动锚杆钻机作业，其机械化程度低，劳动强度大，在空顶区作业安全性差，并且速度慢。应当研制或引进能够安装在掘进机上并与其配套使用的机载锚杆钻机，这是解决以上问题的根本途径。国外在这方面己有很好的经验，已研制和使用了能钻凿顶帮锚杆孔的大功率掘进机机载锚杆钻机，这样，既提高了机械化水平，又保证了安全生产，为快速掘进创造了良好的条件。由于目前工作面采用的锚杆机具落后，锚杆定位没有可靠有效的装置，使得绝大部分角锚杆施工质量不符合设计规定，给安全生产带来一定隐患，反过来必然制约生产。为解决这些问题，一方面应该引进发展新型高质量的锚杆机具；另一方面，采用新型锚杆，即高强度、高可靠性、高预紧力的锚杆，主要是通过加大直径，加大长度，并改进锚杆材料，改进锚杆支护设计，以求减少锚杆数量，提高巷道稳定性，提高工效，为快速掘进创造有利条件31。3.2.3地质条件掘进的地质条件主要是指工作面煤岩硬度，层理发育情况，顶底板的稳定情况，瓦斯涌出量，掘进面涌水量一等。好的地质条件能为实现快速掘进提供一个良好的平台，反之复杂的地质条件成为影响实现快速掘进的一个咽喉。首先是煤岩硬度，煤层松散，切割速度快，但是增加了支护难度，延长了支护时间。煤岩强度大，掘进机的截尺消耗大，维护时间长。稳定的顶板条件，控顶距大，支护条件好，进行临时支护后，永久支护可以甩到掘进后进行，掘进机开机率高，掘支可以平行作业。顶板条件不好，控顶距小，掘进机掘进一段距离，只能退出来进行支护，掘进机的开机率低，工人劳动强度大。同时，由于掘进机多是履带行走，底板强度不高，容易造成“水泥路”，井下工作环境恶劣323.2.4施工组织管理科学管理的基本原则是：对人劳动的每种要素规定一种科学的方法；用以代替陈旧的凭经验管理的方法；科学地挑选工人，然后进行训练、教育，发展他们的技能；与工人合作，保证所有工作都能按己发展起来的原则来进行；在管理和工人之间，工作的分配和责任的分担几乎是均等的。目前我国煤炭经济形式明显好转，国营大中型煤矿原煤产量供不应求，在这样的经济状况下，煤矿往往追求眼前经济利益，不考虑企业的发展后劲，施工组织管理缺乏科学性。导致了奖罚不明，职责不清，工人的劳动积极性不强，间接的影响到了掘进的进尺和工作质量。在综掘快速掘进过程中，掘进机司机水平的高低，很大程度上决定了所掘巷道的质量、速度，并直接关系到效益。综合素质较高的司机在对掘进机的维护上，在落煤技术上，在对巷道成型的把握上，都能体现出较高的水平。而机电工的技术水平更是决定设备能否正常运转的关键因素，直接影响到设备维护质量和故障能否及时处理。机械化程度的提高，发展快速掘进的要求，一方面对设备维护提出了高要求，另一方面，对员工素质，例如掘进机司机，机电工等，也提出了更高要求。似人为本”是发展快速掘进技术的根本，必须对各工种员工进行严格的专门培训，提高其技术素质，方可在快速掘进中取得突破性进展。在现场组织生产的正规循环中，后半个循环的工作效率普遍较低，很大原因是由于工人的长时间工作，体力下降的结果造成的。三班作业制度对于快速掘进的负面影响是不可低估的。为实现快速掘进的目标，应该采用三掘一检修的四班交叉作业制度，这一作业制度的优越性在机械化程度较高的综采工作面得到了很好的体现，在综掘化程度较高的掘进工作面也得到了较好的体现。实践证明，随着掘进机械化程度的提高，四班交叉作业制度能够充分发挥快速掘进的威力。3.3实现快速掘进的技术措施实现快速掘进的出路在于依靠科技进步和科研成果的转化。科研单位和施工企业要想通过巷道施工取得好效益，有新的发展，并走向国内国际市场，就要从科研入手，提高施工的机械化水平，完善配套项目，再跨新台阶。为了适应市场经济的需要，立于不败这地，政府应加强引导和支持，科研、施工单位应结合本企业的具体情况联合组织机械化施工配套、攻关，创造出具有本企业特点的“工法”，不断提高自己的竞争能力。3.3.1采掘平衡能不能实现快速掘进评价最主要的方面就是能不能达到采掘平衡，能不能使开采工作得以持续进行，使矿山企业经济效益得以持续增长。采掘平衡的基本内容就是使掘进工作所完成的工作面准备、采区准备和水平开拓准备能满足回采工作的需要，采掘平衡的目的是保证回采工作面的正常衔接关系和回采工作的持续进行。合理的采掘比例就是要保证待采工作面的准备工作在回采工作面回采结束之前完成，并留有一定的余地，即前一个工作面的回采结束时间要晚于后续回采面的准备完成时间。同时，又要使提前完成的掘进巷道维护费用达到最经济33。多年以来，煤炭系统中考核煤矿企业采掘平衡状况的指标有：(l)三量可采期(2)万吨掘进率(3)采掘速度比(4)采掘头数比(5)采掘工人人数比这些指标在一定条件下能反映出采掘平衡，但有一定的局限性。问题在于它们都属于间接指标，只能给出一定范围内的参考数据，不能直接回答某一具体工作面的采掘平衡间题。实际工作中只有在计划部门排出具体的采掘接替计划后，才能对具体工作面的采掘平衡状况比较清楚。基于上面几个衡量采掘关系的传统指标都有一定的局限性，难以真正反映采掘的平衡关系。中国矿业大学工商管理学院王建军和中国矿业大学采矿工程系林在康提出了掘进保证系数一种衡量采掘平衡的新指标。从采掘接续着手，从回采工作面回采时间和准备时间着手，从回采和掘进计划着手分析和计算采掘平衡关系。矿井的采掘平衡工作是以采定掘，在编制掘进工作计划时，需要对计划年度的掘进总量有一个大致的轮廓，矿井在计划年度的掘进工作总量需安排多少可以采用合理掘进率的方法来确定。用公式表示为：L=QT L=Q计T+L1+L2 (3-3-1)式中 ：L计划年进度掘进总尺寸（m） Q计矿井计划年度原煤产量（万T） T矿井的合理掘进率（m/万T） L1计划年度开拓延伸工程量（m） L2计划年度超掘或补欠进尺（m）3.3.2施工设备的研究与选择积极研究先进施工.设备对实现快速掘进有不可忽视的促进作用。比如悬臂式掘进机的发展趋势：切割功率不断加大，纵向截割头机型功率达250kw，横向截割头机型达350kw，生产能力和切割硬度不断提高，可切割120MPa的岩石，设计生产能力达到500m3爪以上；截割，.装载、履带行走机等结构进一步改进，使用范围进一步拓宽，除应用于煤矿外，己经广泛应用于工程和隧道施工；采用了微机工况监测监控技术和截害断面形状自动控制技术，自动化性能大幅度提高；增设了顶板和煤壁锚杆钻机，实现了掘锚一体化功能，随着研究的深入，可以预料国产的掘锚一体化快速掘进成巷设备将在我国进入实际应用阶段。锚杆钻机的发展也进入了一个崭新的阶段。近十多年来，凿岩设备的研究工作集中在新型的液压凿岩机及与其配套的液压钻车，一般认为当前风动凿岩设备的发展水平己达到上限效率，并且噪音和污染是难以克服的。液压凿岩机具有功率大、效率高、钻眼速度快、噪音小、空气污染小等优点，因此获得了很快发展。在发展施工设备的同时，因地制宜的选择掘进设备也是非常重要的，掘进设备的结构、外形和重量应适应掘进工作面的地质条件。比如说掘进机的切割头的功率应根据煤岩硬度、煤岩的构成、粘结性、耐磨性、节理和层理的发育状况来决定。当煤岩硬度大、巷道断面大时，应先用大功率的重型掘进机。反之，应选择较小的轻型掘进机，才能获得最佳的掘进效果。3.3.3科学的施工组织管理这是实现快速掘进的重要因素。巷道施工要达到快速、优质、高效、低耗和安全的要求、除合理选择施工技术装备及施工方法外，正确地选择施工作业方式、采用科学的施工组织与先进的施工管理方法，也是很重要的组成部分。为了加快巷道施工速度，首先，要推广多工序平行交叉作业；第二，实行以工种岗位制为中心的施工管理工作；第三，推广综合工作队；第四，抓好正规循环作业。这些都是实现科学管理的有效保证。机械化程度的提高，发展快速掘进的要求，一方面对设备维护提出了高要求；另一方面，对员工素质，例如掘进机司机，机电工等，也提出了更高要求。“以人为本”是发展快速掘进技术的根本，必须对各工种员工进行严格的专门培训，提高其技术素质，方可在快速掘进中取得突破性进展。为实现快速掘进的目标，应加强施工组织管理的科学性，考虑采用平行交叉作业制度，平行交叉作业制度的优越性在机械化程度较高的综采工作面得到了很好的体现，在综掘化程度较高的掘进工作面也得到了较好的体现。实践证明，随着掘进机械化程度的提高，平行交叉作业制度能够充分发挥快速掘进的威力。3.3.4完善的快速掘进配套设施快速掘进配套设施的完善是实现快速掘进的保证。巷道快速掘进评价的一个重要方面就是有没有完善的快速掘进配套设施。配套设施主要是指辅助运输系统，通风系统，排水系统，供电系统等。只有这些系统正常稳定的工作，才能保证工作面快速连续掘进。快速掘进配套设施评价主要有：(l)辅助运输系统转载与运输设备能力是否合理是否保证连续运输、迅速接长是实现快速掘进的关键。(2)通风系统能不能保证掘进工作面安全工作的风量。(3)排水系统、供电系统能不能正常稳定的运行。3.3.5不断改进的施.工方法及施工工艺实践证明，只着眼于完善“常规”的施工方法，尚不足以使巷道掘进速度产生新的跃进，还必须积极推广并进一步研究新的施工工艺和技术，如中深孔爆破，深孔爆破等。实现快速掘进时，施工工艺一定要连续，坚持高的正规循环率，加强各工序之间的平行作业。在岩巷快速掘进的钻爆法施工经验，可以实现平行交叉作业的工序为：(1)交接班与工作面安全质量检查平行作业；(2)钻眼、装岩与永久支护平行作业；(3)测中、腰线与准备钻眼、敷设风水管路平行作业；(4)用铲斗式装岩机装岩时，可采用装后边岩石与钻工作面中部以上的炮眼平行作业；用耙斗机装岩时.可以采用装左边岩，钻右边眼，装右边岩，钻左边眼、装后边岩、钻下部眼等办法，实行平行作业；(5)钻下部眼与工作面铺轨、清扫炮眼平行作业；(6)移动耙斗式装岩机与延接风水管路平行作业；(7)工作面找锚杆与装岩平行作业；(8)装药与撤离、掩护设备和工具平行作业；(9)砌水沟与铺永久轨道平行作业。掘锚机组可节省移动和装钻机的时间，掘进速度可提高50%至100%，国外普遍认为掘锚机组之所以能被有效使用的一个重要原因在于顶板及时支护，安全可靠；通过对掘锚机组掘进系统进行选型和配套，形成高效掘锚掘进作业线，可使每一循环作业的时间减少2545min34。总之，必须不断革新并实现机械化配套；在解决装、运机械化的基础上，要发展装、转、运、卸机械化配套，真正意义上的达到掘支平行。4支护趋势4.1、锚喷支护(l)锚杆支护锚杆类型最早使用的是楔缝式金属锚杆，70年代很快就被倒楔式金属锚杆和水泥砂浆锚杆所代替，到了80年代又被快硬膨胀水泥卷、树脂锚杆以及管缝式锚杆所取代。由于快硬膨胀水泥药卷造价低廉，制作安装简便，可以端头锚固，也可以全长锚固，杆体螺纹部分经处理处，可以使锚杆各部分获得相等强度，因此，采用的较多。树脂锚杆技术性能较好，但是造价较高。管缝式锚杆虽属全长锚固式，可靠性较高，但因造价高，多在软巷道中采用353637。锚杆支护施工目前，我国大多使用气腿式凿岩机钻锚杆眼，劳动强度大，效率低，特别是钻顶部眼时，作业条件差，影响锚固质量38。(2)喷硅技术喷硅在我国煤矿中的应用已有30多年的历史，喷硅强度等级多采用C15C20，为了降低回弹和粉尘，正围绕喷硅的外加剂、改进喷硅机械设备及综合防尘等方面进行积极地研究工作，并取得了一定的进展。70年代后广泛应用ZHP-2型转盘式喷射机，可连续供料、连续喷射，工作稳定可2水平巷道的掘进技术靠，操作方便，体积较小，适于较长距离输送。但缺点是属于干式喷射机，粉尘大、回弹率高。早期产品密封胶板极易磨损，搅拌、上料机械示能配套。针对上述缺点进行了改进，80年代后，广泛采用了HPC-V型潮式喷射机。4.2、U型钢支架U型钢支架在国内已经有几十年的历史。近十几年由于综合机组采煤的发展和软岩巷道支护的要求，U型钢金属支架得到了较大的发展。我国使用的U型钢已定型的有189、259、299和369四种。拱形U型钢可缩金属支架，按节数多少分为3节、4节和5节3种，一般视巷道断面的大小选用。U型钢可缩支架应用在软岩或动压巷道中较为合理，但是，它的钢材消耗量较大，成本较高。因此更适合于使用在服务年限不长，可多次复用的采准巷道中。4.3、砼大弧板支护它是专为软岩设计的新型支护。这种支护的特点是采用了超高标号钢筋硅弧板。弧板支护用HP-1型机械手架设。该机可在轨道上行走，最大起重能力100KN，适用于直径45m的巷道。弧板架设后，为增加其可缩性，板后充填100mm厚的柔性填层。在施工时如遇顶帮难于维护时，可采用锚喷支护与弧板联合支护，即先锚喷支护后再架设弧板。4.4、联合支护为了适应各种复杂的地质条件，特别是在软岩工程中，为使支护方式更为合理或因施工工艺的需要，往往同时采用联合支护，如锚喷与U型钢支架、锚喷与大弧板或与石材砌谴、与砌谴等联合支护。在碎胀或顶板自稳时间较短的地层中，由于锚喷支护较为及时，在揭开岩石后立即施以先喷后锚支护，然后在顶板受控制的条件下，再按设计施以U型钢、大弧板或石材支护。也有先施以U型钢金属支架，然后再立模浇灌硅或喷射硅，构成联合支护。联合支护应先施柔性支护，待围岩收敛变形每日小于1.0mm后，再施以刚性支护，避免先用刚性支护而由干变形量过大而破坏。5结论论文通过对快速掘进国内外现状和支护趋势的分析得出如下结论：(l)科学的施工组织管理方法是实现快速掘进的保障。巷道施工要达到快速、优质、高效、低耗和安全的要求，除合理选择施工技术装备及施工方法外，正确地选择施工作业方式、采用科学的施工组织与先进的施工管理方法，也是很重要的组成部分；(2)快速掘进机械化配套设施的完善是实现快速掘进的重要保证。尤其是辅助运输系统，是否能够为快速掘进提供连续稳定的后备运输至关重要。本文对石嘴山二矿快速掘进分析过程中，外部因素成为影响快速掘进效果的主要原因，而这些外部因素正是快速掘进配套设施不完善带来的直接后果；(3)不断改进的施工.方法及施工工艺为实现快速掘进的重要途径。在施工过程中，施工工序应最大限度的平行作业；（4）在采煤方法和技术不断更新的情况下，发展快速掘进技术对煤矿经济持续增长有着非常大的意义。参考文献l王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术.煤炭科学技术，2004，32(l)2李跃宇，吴志海.我国煤矿掘进装备技术发展的思路.煤炭科学技术，2000，28(9)：46473ROBIN 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