馬 力,李立華,姚強(qiáng)嶺
(1.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,安徽 宿州 234000;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
煤炭在我國能源消費(fèi)中一直占據(jù)著重要地位,近年來,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)能源特別是煤炭的需求也在不斷增長,然而我國煤礦在生產(chǎn)中常因巖巷掘進(jìn)困難導(dǎo)致采掘比例嚴(yán)重失調(diào),造成礦井采掘接替銜接緊張,因此,提高巖巷的掘進(jìn)效率成了重中之重[1-3]。目前我國巖巷掘進(jìn)施工速度和機(jī)械化水平比較落后,與20世紀(jì)80年代相比,巖巷施工技術(shù)和機(jī)械化水平變化不大,以鉆爆法為主[4-5],絕大多數(shù)巖巷施工仍采用安全條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼、耙斗式裝巖機(jī)出矸[6-7],使得巖巷掘進(jìn)月單進(jìn)水平一直處于較低水平。
巖巷掘進(jìn)機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)巖巷快速掘進(jìn)的有效途徑之一[8-10],煤礦巖巷中以平巷為主,其次是下山,下山多集中在采區(qū),是采煤的必經(jīng)通道,因此,提高下山巷道掘進(jìn)速度對(duì)保證采區(qū)的正常接續(xù)具有重要意義[11]。巖巷的下山掘進(jìn)相比于平巷掘進(jìn)施工扒矸和打眼放炮更困難,而且還存在裝矸電絞提升能力受限制等問題。祁東煤礦Ⅱ三采區(qū)軌道下山屬于下山掘進(jìn),采用傳統(tǒng)的施工工藝掘進(jìn)時(shí)月進(jìn)尺只有40~50 m,不能滿足礦井采掘接續(xù)需要,通過優(yōu)化生產(chǎn)組織管理及施工技術(shù)水平、引進(jìn)設(shè)備、改造機(jī)具實(shí)現(xiàn)能力綜合配套,進(jìn)尺水平大幅提高,月單進(jìn)水平達(dá)到80 m左右。
祁東煤礦井田東西長9 km,南北寬3.5~5 km,面積約35.427 5 km2。礦井根據(jù)煤層埋深及地質(zhì)構(gòu)造劃分為兩個(gè)水平,第一水平標(biāo)高為-600 m,第二水平標(biāo)高-800 m,主采煤層為32煤層、61煤層、71煤層、82煤層、9煤層,平均總厚度9.12 m,占可采煤層總厚度的56%。Ⅱ三采區(qū)軌道下山撥門巷道處于71煤層底板82煤層頂板層位,巷頂距71煤層法距約23 m,巷底距82煤層約5 m,71煤層距72煤層法距約1.1~2.5 m,72煤層在本區(qū)域與71煤層合并分叉區(qū),81煤層距82煤層法距10 m,81煤層在該區(qū)域賦存不穩(wěn)定,大部分沉缺。巷道設(shè)計(jì)長度1 230 m,斷面形狀為三心拱形,起止標(biāo)高為-577.9~-800.0 m,坡度變化較大,最大達(dá)到-18°,巷道凈高3.8 m,凈寬4.8 m,采用錨網(wǎng)噴支護(hù)。其中,巷道揭露主要巖性為細(xì)砂巖,淺灰色~淺灰白色,石英為主,次為長石,云母碎片,次園狀分選中等,硅質(zhì)膠結(jié),夾有深灰色不規(guī)則泥質(zhì)包體,厚約24 m,自然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度平均為1 230 kg/cm2,變異范圍879~1 410 kg/cm2。局部為泥巖,灰色,淺灰色夾灰白色,泥巖薄層夾薄層細(xì)條帶狀砂巖,巖性堅(jiān)硬,斷口平整,形成水平層理。Ⅱ三采區(qū)軌道下山巷道剖面圖見圖1。
圖1 Ⅱ三采區(qū)軌道下山巷道剖面圖
祁東煤礦Ⅱ三采區(qū)軌道下山原有施工工藝為氣腿式鑿巖機(jī)配合耙斗式裝巖機(jī)炮掘作業(yè)線。2018年12月,對(duì)其掘進(jìn)技術(shù)及施工裝備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和為期三天的跟班實(shí)測(cè),總結(jié)了巷道作業(yè)人員、設(shè)備及時(shí)間三者之間的匹配關(guān)系,并結(jié)合掘進(jìn)施工各個(gè)工序現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,分析了影響Ⅱ三采區(qū)軌道下山傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝效率的相關(guān)因素。
在跟班期間,對(duì)7655型氣腿式鑿巖機(jī)施工進(jìn)尺眼時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),進(jìn)尺眼深1.8 m,選取其中10個(gè)進(jìn)尺眼施工時(shí)間,繪制出簇狀柱形圖進(jìn)行分析比較,見圖2。由圖2可知,使用7655型氣腿式鑿巖機(jī)施工Ⅱ三采區(qū)軌道下山進(jìn)尺眼時(shí),單個(gè)進(jìn)尺眼的施工耗時(shí)為7~10 min,施工一個(gè)進(jìn)尺眼平均耗時(shí)約為8 min,Ⅱ三采區(qū)軌道下山掘進(jìn)斷面需要施工76個(gè)進(jìn)尺眼,合計(jì)耗時(shí)約9 h,約占一個(gè)圓班的1/3,耗時(shí)很長,通過分析得出采用7655型氣腿式鑿巖機(jī)施工進(jìn)尺眼占時(shí)較長的原因如下。
1) 7655型氣腿式鑿巖機(jī)沖擊能和扭矩較小,在鉆鑿3 m的炮眼時(shí),速度僅為鉆鑿0.5 m炮眼的30%,隨著炮眼深度的增加,氣腿式鑿巖機(jī)的施工效率也隨之降低。
2) 氣腿式鑿巖機(jī)施工下部進(jìn)尺眼時(shí),鑿巖機(jī)的的位置擺放比較困難,且氣缸伸縮與施工進(jìn)位方向不好把控,速度有所降低。
3) 氣腿式鑿巖機(jī)施工進(jìn)尺眼時(shí),不僅噪音大,而且空氣濕潤,施工人員長期處于惡劣的工作環(huán)境中,對(duì)身心健康的影響較大,勞動(dòng)積極性大打折扣。
4) 由于巷道斷面較大,在施工進(jìn)尺眼時(shí)需要將斷面分為上下部進(jìn)行,進(jìn)而出現(xiàn)一次進(jìn)尺眼的施工,需要進(jìn)行兩次施工設(shè)備的搬運(yùn)及檢修,不僅增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,而且減弱了工人的勞動(dòng)積極性。
祁東煤礦Ⅱ三采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面原先采用P-90B型耙矸機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè),據(jù)統(tǒng)計(jì),在跟班期間,工作面共進(jìn)行出矸作業(yè)3次,分別耗時(shí)473 min、489 min和465 min,每次耗時(shí)均達(dá)到一個(gè)圓班的1/3左右,占據(jù)了掘進(jìn)循環(huán)的大量時(shí)間,通過分析得出采用耙矸機(jī)出矸占時(shí)較長的原因如下。
1) 由于巷道斷面較大,且耙矸機(jī)不能獨(dú)立行走,為確保全斷面出矸,在出矸時(shí)需要進(jìn)行耙矸機(jī)移位,會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間,嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)速度。而且鋼絲繩極易磨損,耙矸機(jī)裝巖不徹底,清底交窯困難。
2) 耙矸機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè)時(shí),需要迎頭打橛子眼、安裝軟硬橛、掛滑輪、拽鋼絲繩,耗費(fèi)一定的時(shí)間。
3) 耙裝機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè)時(shí),會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩斷絲、斷股、脫輪、彈繩等諸多危險(xiǎn)情況,修復(fù)設(shè)備耗費(fèi)大量時(shí)間的同時(shí),也給現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全帶來隱患。
通過對(duì)工作面作業(yè)人員進(jìn)行問卷調(diào)查,作業(yè)人員趨于中老年化,且文化水平普遍較低,詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見圖3和圖4,分析發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)巷道掘進(jìn)施工速度也存在一定的影響。
1) Ⅱ三采區(qū)軌道下山作業(yè)人員64%為初中及以下學(xué)歷,文化水平普遍偏低,當(dāng)井下施工設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí),作業(yè)人員自主修復(fù)能力較差,使得設(shè)備修復(fù)耗時(shí)較長,占據(jù)一定的掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間。
2) 通過現(xiàn)場(chǎng)跟班及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出,年輕員工的作業(yè)積極性普遍高于老員工,而Ⅱ三采區(qū)軌道下山作業(yè)人員中,30歲以下的年輕員工數(shù)量不到大于40歲老員工數(shù)量的1/10,員工整體作業(yè)積極性較差,對(duì)巷道掘進(jìn)速度存在一定的影響。
圖3 員工文化水平分布圖
圖4 員工年齡構(gòu)成分布圖
在巖巷掘進(jìn)施工過程中,若沒有良好的勞動(dòng)組織管理,巷道的掘進(jìn)效率將會(huì)受到很大的影響,通過跟班調(diào)研發(fā)現(xiàn)Ⅱ三采區(qū)軌道下山在施工過程常存在以下組織管理問題。
1) 班組配合不默契。Ⅱ三采區(qū)軌道下山采用“三八制”作業(yè)方式組織施工,經(jīng)常出現(xiàn)班組交接班斷連(聯(lián)),工作面交接班期間長時(shí)間無人作業(yè),浪費(fèi)掘進(jìn)循環(huán)的大量時(shí)間。
2) 工序銜接不合理。作業(yè)人員通常集中于同一工序施工,工序之間平行作業(yè)較少,造成工序之間銜接性較差,間接影響了巷道進(jìn)尺速度與質(zhì)量。
1) 快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線。為提高巷道掘進(jìn)施工效率,保證礦井生產(chǎn)接續(xù),在總結(jié)分析影響原有施工工藝的因素后,2019年2月,祁東煤礦Ⅱ三采區(qū)軌道下山引進(jìn)CMJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車(主要技術(shù)參數(shù)見表1)施工進(jìn)尺眼、ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)(主要技術(shù)參數(shù)見表2)進(jìn)行出矸作業(yè),配合DSJ-80型膠帶輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸,激光指向儀定向,單軌吊機(jī)車輔助運(yùn)料。快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)線如圖5所示。
表1 CMJ2-18型液壓鑿巖臺(tái)車主要技術(shù)參數(shù)
表2 ZWY-150/55L型挖掘式裝載機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
2) 新設(shè)備優(yōu)勢(shì)。①CMJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車的最大扭矩及沖擊能分別為260 N·m、200 J,能夠很好地克服氣腿式鑿巖機(jī)沖擊能和扭矩不足的缺點(diǎn),進(jìn)尺眼的施工深度達(dá)到3.2 m,循環(huán)進(jìn)度由原有的1.6 m提升到了2.8 m;②ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)靈活性很好,扒取范圍能夠延伸至巷道全斷面,可進(jìn)行連續(xù)出矸作業(yè),取消了迎頭打橛子眼和安裝軟硬橛,掛滑輪,拽鋼絲繩操作工序,不僅降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且大大減少了出矸時(shí)間。
根據(jù)祁東煤礦提供資料以及實(shí)際統(tǒng)計(jì)匯總,Ⅱ三采區(qū)軌道下山作業(yè)人員文化水平普遍偏低,使得他們對(duì)設(shè)備的接受程度不高,進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。由此,祁東煤礦在引進(jìn)新設(shè)備的同時(shí),對(duì)隊(duì)組作業(yè)人員進(jìn)行為期30天的現(xiàn)場(chǎng)施工培訓(xùn)交流,后期進(jìn)行作業(yè)人員試運(yùn)行,挑選出業(yè)務(wù)能力強(qiáng)、操作水平高的員工,實(shí)行“一幫一帶”制度,且定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng),以此提升作業(yè)人員對(duì)設(shè)備的操作水平,提高生產(chǎn)效率。
組織管理是巷道實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的重要因素,巷道要實(shí)現(xiàn)安全高效施工,除了需要高效的施工技術(shù)裝備、合適的施工工藝和較高的人員素質(zhì)外,還需要良好的勞動(dòng)組織管理。
1) 針對(duì)班組配合不默契的問題,實(shí)行“四六滾班制”,班組交接在井下作業(yè)面進(jìn)行,對(duì)施工進(jìn)程及設(shè)備損耗實(shí)時(shí)掌控,以提高班組交接班的連續(xù)性。
2) 針對(duì)工序銜接不合理的問題,改變工人施工作業(yè)方式,推廣多工序平行交叉作業(yè),實(shí)行綜合掘進(jìn)隊(duì)模式,由隊(duì)長統(tǒng)一指揮,各工種既有明確分工又要密切協(xié)作。
3) 建立完善的獎(jiǎng)懲制度,以日進(jìn)尺2.8 m為基準(zhǔn),制定相應(yīng)的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)收合格獎(jiǎng)勵(lì)1 000分,超出部分按雙倍予以獎(jiǎng)勵(lì),以此類推,按質(zhì)按量進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì),若班組連續(xù)30天均完成基礎(chǔ)任務(wù),額外給予6 000分獎(jiǎng)勵(lì),若出現(xiàn)施工不合格的情況給予同等分值的處罰。
Ⅱ三采區(qū)軌道下山施工進(jìn)尺眼設(shè)備,由原有的氣腿式鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)镃MJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車,炮眼施工深度由原來的1.8 m提升到了3.2 m,掘進(jìn)效率明顯提升,優(yōu)越性突出,鉆眼工藝優(yōu)化前后效率對(duì)比見表3。
表3 鉆眼工藝優(yōu)化前后效率對(duì)比
由表3可知,CMJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車相比于7655型氣腿式鑿巖機(jī),存在以下優(yōu)點(diǎn)。
1) 在炮眼施工深度大幅度提升的同時(shí),施工時(shí)間由原有的7~8 h減少到2.5~3 h,是原有施工工藝的2.5倍,效率得到大幅度提升。
2) 7655型氣腿式鑿巖機(jī)沖擊能和扭矩較小,在鉆鑿3 m炮眼時(shí),速度僅為鉆鑿0.5 m時(shí)的30%,隨著炮眼深度的增加,鑿巖機(jī)施工效率隨之降低,為達(dá)到較高進(jìn)尺效率,炮眼適宜施工深度為1.8 m;CMJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車的最大扭矩為260 N·m,最大沖擊能為200 J,很好地克服了7655型氣腿式鑿巖機(jī)在這方面的缺點(diǎn),施工炮眼深度提升到3.2 m,效率得到大幅度提升。
3) 鑿巖臺(tái)車的使用大大減少了工作面作業(yè)人員數(shù)量,由原來的6~8人減少到2人,且作業(yè)人員與施工面距離由原有的0.5 m提升到8 m,視線更加開闊,利于觀察圍巖變化,同時(shí)加上操作平臺(tái)上安全頂棚的保護(hù),有效保障了作業(yè)人員的安全。
4) 雙臂鑿巖臺(tái)車鑿巖系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng),并采用了閉式油路系統(tǒng),避免了風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的排氣噪音,且沒有風(fēng)鉆排出的濕霧狀廢氣,工作面灰塵小,氣體和噪音污染小,改善了作業(yè)環(huán)境,施工人員作業(yè)積極性進(jìn)一步提升。
5) 采用氣腿式鑿巖機(jī)施工進(jìn)尺眼時(shí)巷道斷面需要上下部分次施工,設(shè)備的搬運(yùn)及檢修均需進(jìn)行兩次,會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間,改用鑿巖臺(tái)車后,全斷面進(jìn)尺眼一次施工完成,設(shè)備后撤自行完成,且耗時(shí)只有原施工工藝的1/5。
Ⅱ三采區(qū)軌道下山原有掘進(jìn)施工工藝采用耙斗式裝載機(jī)出矸,引進(jìn)新設(shè)備后采用ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè),出矸效率得到明顯提升,優(yōu)越性突出,出矸工藝優(yōu)化前后效率詳細(xì)對(duì)比見表4。
表4 出矸工藝優(yōu)化前后效率對(duì)比
由表4可知,ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)相比于耙斗式裝載機(jī)存在以下優(yōu)點(diǎn)。
1) 挖裝機(jī)可自行移動(dòng)裝矸,而且取消了迎頭打橛子眼和安裝軟硬橛、掛滑輪、拽鋼絲繩等操作工序,大大縮短了出矸時(shí)間,由原來的7~8 h減少到4~5 h,速度翻倍增長。
2) 出矸作業(yè)人數(shù)由原來的3人減少到1人,緩解了祁東煤礦一線員工流失嚴(yán)重這一問題。
3) 挖裝機(jī)作業(yè)靈活性更好,扒取范圍能夠延伸至巷道全斷面,巷道可實(shí)行一次出矸、不留底砟,底部矸石不再需要人工二次翻矸,減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了作業(yè)環(huán)境,工人作業(yè)積極性得到顯著提高。
4) 采用耙矸機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè)時(shí),會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩斷絲、斷股、脫輪、彈繩等諸多危險(xiǎn)情況,在修復(fù)設(shè)備耗費(fèi)大量時(shí)間的同時(shí),也給現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全帶來隱患。采用挖裝機(jī)進(jìn)行出矸作業(yè)后,不僅避免了這些諸多危險(xiǎn)情況的發(fā)生,而且施工人員處于駕駛室內(nèi)部,勞動(dòng)強(qiáng)度較低,受粉塵影響較小,勞動(dòng)積極性更高。
通過對(duì)Ⅱ三采區(qū)軌道下山進(jìn)行為期8個(gè)月的跟蹤調(diào)研,得到實(shí)行快掘技術(shù)措施前后月進(jìn)尺變化情況,未實(shí)行前月進(jìn)尺均為40~50 m,實(shí)行后的第一個(gè)月為技術(shù)熟練的廠家委派隊(duì)伍現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行示范作業(yè),月進(jìn)尺達(dá)到了91 m,而礦山作業(yè)人員第一次使用新設(shè)備時(shí),月進(jìn)尺也達(dá)到了近幾個(gè)月以來的最大值,隨著作業(yè)人員對(duì)新設(shè)備的操作水平的提升,巷道掘進(jìn)速度穩(wěn)步上升,月進(jìn)尺呈現(xiàn)快速增長的趨勢(shì)。工藝優(yōu)化前后月進(jìn)尺的詳細(xì)情況見圖6。
圖6 Ⅱ三采區(qū)軌道下山月進(jìn)尺
Ⅱ三采區(qū)軌道下山對(duì)原有施工工藝進(jìn)行優(yōu)化后,巷道的月進(jìn)尺穩(wěn)步上升的同時(shí)實(shí)際操作中也存在一些問題。
1) CMJ2-18履帶式雙臂鑿巖臺(tái)車和ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)的水(油)管沒有收置裝置,散落在地上,施工作業(yè)時(shí),常被凸起的石塊牽扯,需要人為進(jìn)行干預(yù),影響施工效率。
2) Ⅱ三采區(qū)軌道下山的最大坡度為18°,雖然ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)的設(shè)計(jì)最大爬坡能力達(dá)到了25°,但由于巷道底板比較濕潤,經(jīng)常出現(xiàn)挖裝機(jī)履帶打滑、無法后退的情況,需不斷調(diào)整機(jī)身角度尋找適宜的后退路線,對(duì)巷道的整體掘進(jìn)速度有一定的影響。
3) 采用ZWY-150/55挖掘式裝載機(jī)進(jìn)行裝矸作業(yè)時(shí),時(shí)常會(huì)出現(xiàn)矸石塊度較大挖裝機(jī)附屬鏈板機(jī)無法運(yùn)輸?shù)那闆r,此時(shí)需人為進(jìn)行二次破碎,會(huì)耗費(fèi)一定的時(shí)間。
1) 通過對(duì)Ⅱ三采區(qū)軌道下山的前期調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),對(duì)原有的氣腿式鑿巖機(jī)配合耙斗式裝巖機(jī)作業(yè)線進(jìn)行了研究分析,得出影響其施工效率的主要因素有氣腿式鑿巖機(jī)破巖效率低、耙矸機(jī)出矸效率低、人員素質(zhì)較低和組織管理不成體系等。
2) Ⅱ三采區(qū)軌道下山通過優(yōu)化生產(chǎn)組織管理及施工技術(shù)水平、引進(jìn)設(shè)備、改造機(jī)具實(shí)現(xiàn)能力綜合配套,月單進(jìn)水平由原有的40~50 m提升到80 m左右,且減小了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了作業(yè)環(huán)境,工人作業(yè)積極性顯著提高。
3) Ⅱ三采區(qū)軌道下山優(yōu)化施工工藝后,月進(jìn)尺穩(wěn)步上升,不過在實(shí)際操作中也存在一些問題,鑿巖臺(tái)車和挖裝機(jī)的水(油)管沒有收置裝置,作業(yè)時(shí)常被凸起的石塊牽扯,需要人為干預(yù)才能繼續(xù)施工;挖裝機(jī)在使用過程中常出現(xiàn)回退打滑和裝矸工序不連續(xù),對(duì)巷道的整體掘進(jìn)速度均存在一定的影響,在后續(xù)的作業(yè)中實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)措施后,巷道掘進(jìn)速率將會(huì)得到進(jìn)一步提升。