巷道掘进与修复装备及施工工艺研究
０ 概述
目前我国煤层赋存条件复杂，煤层分布范围广且厚度不均，需要大量开掘煤岩巷道。在煤矿生产过程中面临采掘严重失调的问题，造成这种问题的原因较多，其中最重要的因素是采煤工作面机械化水平高，采煤速度快、效率高，而巷道掘进效率低，跟不上采煤速度，在煤岩巷道这一问题尤为突出。要解决这个问题，需要提升掘进工作的机械化程度，加快掘进速度，保证矿井高产高效。目前，煤岩巷道掘进采用的掘进工艺以炮掘为主，普遍以人工手持风钻凿炮眼，爆破后采用耙斗装岩机及矿车运输矸石。这种施工方式效率较低、危险性高、劳动强度大。
与此同时，随着煤矿开采逐渐向深部煤层转移，由于地压增大，深部巷道围岩表现出大变形及长期持续流变的特性，高地压会使已有的巷道产生断面变形、顶板塌陷、底板凸起等问题。巷道持续变形塌陷不仅对正常生产造成影响，也存在很高的安全隐患，故急需对变形巷道进行修复。传统的巷道修复装备简陋、工艺欠缺，使巷道修复面临效率低、危险性高的窘境。
１ 岩巷掘进装备及施工工艺
１．１ 传统的岩巷掘进装备及施工工艺
在岩巷掘进中常用的施工工法有钻爆法及综掘施工２种，其中钻爆法施工较为常见。钻爆法施工适用于煤岩、半煤岩及全岩巷道，传统的钻爆施工装备以手持式风钻、耙斗装载机为主。对于高位爆破孔需要人工搭支架，工人凿岩时站在支架上施工，爆破后再使用耙斗装载机转运到矿车或带式输送机，效率低，危险性大。传统掘进施工装备主要以掘进机为主，掘进机主要应用于煤巷及半煤巷掘进，适用于硬度系数较小的工况。掘进机是集破碎、转料、运输于一体的装备，既能破碎矸石，也能及时将破碎的煤矸通过刮板输送机输送到矿车或带式输送机。对于全岩巷道，掘进机的掘进效率较低且截割齿磨损较快，性价比不高。
１．２ 目前岩巷掘进装备及施工工艺
（１）掘进用钻装机组
掘进用钻装机组具备钻孔、装载及运输一体化功能，可依次完成打眼钻孔、矸石扒装及矸石转载３项工作，可有效提高岩巷掘进的机械化水平，改善掘进工作面掘进效率。除用于煤矿巷道外，也可用于金属矿山、水电巷道、铁路隧道等巷道施工中。
国内对煤矿岩巷掘进钻装机组的研究开始于２０１０年左右，目前国内的研发制造厂家及型号主要有：①三一重装生产的ＣＭＺＹ１－７０／１２窄巷钻装机组，适用于８～１３ｍ²的断面，装载能力为７０ｍ³／ｈ，该机型为凿岩单臂，机型结构紧凑，适用于狭窄岩性巷道掘进施工；②石家庄煤矿机械有限公司生产的ＣＭＺＹ２－１５０／２０和ＣＭＺＹ２－３００／３５型钻装机组，扒装能力较高，达到了１５０～３００ｍ³／ｈ，适用断面为２０～３５ｍ²，该系列钻装机组扒装及行走操纵均可用遥控操作，提高了施工的安全性；③江西鑫通机械制造有限公司生产的ＣＭＺＹ２－１８０／３５型双臂煤矿用岩巷钻装机组，适应断面１３～３０ｍ²，该机型采用双臂结构，可同时进行巷道断面炮孔的凿岩作业，效率较高；④中煤���工集团重庆研究院有限公司研制的ＣＭＺＹ１－１００／４０型钻装机组，装载能力为１００ｍ³／ｈ，适用断面为８～４０ｍ²。该机型结构紧凑、工作稳定，借鉴挖掘机的操作功能，扒装效率高，采用全液压凿钻进系统，定位灵活，凿岩速度快，可以实现全断面无死角打孔作业。
（２）掘进用凿岩台车
掘进用凿岩台车主要由液压凿岩机、钻臂、液压系统、电控系统、车架、行走机构以及一些附属装置组成。凿岩台车与钻装机组类似，主要应用于煤矿巷道、公路、铁路隧道的爆破孔及探眼孔的钻孔施工。在进行钻爆法施工时，凿岩台车一般与挖掘装载机或耙斗装载机及带式输送机配套组合使用，可有效提高施工速度和掘进效率，降低工人劳动强度。
凿岩台车按底盘结构可分为胶轮式、履带式及轨轮式，按钻臂数可分为单臂式、双臂式及多臂式。目前国内凿岩台车研发制造厂家较多，主要研发厂家及型号有：①徐工集团生产的ＴＺ３Ａ型双臂凿岩台车，该凿岩台车为胶轮式底盘，采用高性能凿岩机，液压系统具有防卡钎、防空打及回退功能，凿岩效率高且有效降低钻具损耗。在辅助设备方面该凿岩台车安装有卷缆盘，可适应长距离收放线缆；②中国铁建重工集团股份有限公司生产的ＺＹＳ系列化隧道凿岩台车，钻臂数量有双臂、三臂及四臂，该系列化凿岩台车采用多种智能化控制，可实现台车在隧道中的精确定位，且爆破孔定位设计图可导入电脑，实现自动定位自动钻孔，智能化水平较高；③江西鑫通机械制造有限公司生产的ＤＷ型系列化凿岩台车，该系列化凿岩台车钻臂数量包含单臂、双臂及三臂，底盘形式也包括履带式、胶轮式及轨轮式，该系列化台车采用电脑智能控制系统准确控制３个钻臂的布孔及凿岩作业，在钻孔时可控制钻孔速度、钻孔深度及凿岩机的工作参数，智能化水平较高；④石家庄煤矿机械有限公司生产的ＣＭＪ系列煤矿用全液压掘进钻车，该系列掘进钻车结构紧凑，适用于狭小巷道断面凿岩施工。
（３）岩巷掘进钻装机组施工工艺
在煤矿岩巷／半岩巷掘进中，钻装机组施工逐步取代了人工凿孔爆破、耙斗机出矸的掘进工艺。钻装机在凿孔作业时能快速精确定位设定的凿孔位置，并高效完成全断面凿孔作业。爆破完成后可通过耙斗将矸石扒装到第一运输机转运到后置输送设备。根据钻装机组在岩巷掘进中的使用情况，总结出多种岩巷／半岩巷道掘进施工工艺方案。
施工方案１ 钻装机组＋二运带式输送机＋带式输送机方式。示意图如图１所示，具体施工工艺：
①使用钻装机耙斗平整巷道底板，并将钻装机行走至工作面；
②钻装机组钻臂根据规划炮孔轨迹依次凿炮眼孔；
③凿孔完成后，钻装机收回钻臂，向后退约３０ｍ，并搭木板防护，油缸及油管部位需保护好；
④装药爆破，爆破完成后喷水除尘；
⑤钻装机组向前移动，扒装矸石到第一输送机；
⑥矸石输送至二运带式输送机、带式输送机至矸石仓；
⑦完成出矸后顶板及侧帮支护，进入下一个循环。
施工方案２ 液压钻装机组＋二运带式输送机＋牵引机车（矿车）。施工方案２示意图如图２所示，具体施工工艺与方案１类似，但矸石输送方式与方案１不同，方案２采用多节矿车方式向外转运矸石，较方案１输送带输送方式连续性差，出矸效率较低。
钻装机组掘进配套方案包括但不限于上述２种方案，需根据巷道断面大小及配套设备情况选择施工方案。根据实际使用情况可知，钻装机组进行岩巷掘进可有效提高掘进效率，降低工人劳动强度并提高施工的安全性。
２ 巷道修复施工装备及施工工艺
目前在变形巷道修复中常用的施工方法：①人工修复施工；②巷道修复装备施工。其中，人工修复主要以风镐破碎为主，该施工方式在进行顶板修复时需人工搭建平台，不仅劳动强度大、危险性较高，而且修复完成后的矸石需使用侧卸式装载机转运到刮板输送机或带式输送机。人工修复方式危险性高，出矸连续性差，整体修复效率低。
（１）巷道修复机械化装备
国内对巷道修复机的研究开始于２０１２年左右，目前国内的研发制造厂家及机型主要有：①中煤科工集团重庆研究院有限公司研发生产的ＷＰＺ－４５型多功能巷道修复机，集破碎、扒装、锚杆（索）剪切、支护平台、刮板输送机于一体，可对不同断面巷道进行一体化修复、出矸及支护作业，是目前功能最为齐全的巷道修复一体化设备；②中煤科工集团西安研究院有限公司研发生产的ＷＰＺ－５５型巷道修复机，集成了扒装、破碎、刮板输送机及自动卷电缆盘等，可对高度大于１.８ｍ、宽度大于２.０ｍ的巷道进行修复机出矸作业；③石家庄煤矿机械有限公司生产的ＷＰＺ３０～６０型系列巷道修复机，具备破碎、装载、平整巷道等多种功能，其中ＷＰＺ５５型可配刮板输送机进行出矸作业。该公司生产的ＷＰＺ－７０／２０／７００Ｌ型铣挖式巷道修复机，配备横／纵轴式铣头，具备铣挖、破碎及挖装功能，可对巷道顶底板进行铣平修复作业；④江西鑫通机械制造有限公司生产的ＷＰＺ７５／５０／６００Ｌ系列小型巷道修复机集截割、破碎、扒装、刮板输送机、推土板于一体，其工作臂可回转１８０°，可对不同断面巷道顶底板、输送带侧帮进行破碎修复、矸石扒装输送以及底板平整作业。
（２）巷道修复机械化修复工艺
随着煤矿修复装备机械化水平的提高，以及国家对施工安全的重视，越来越多的煤矿使用巷道修复设备取代人工进行巷道修复施工，根据巷道修复机在施工中的实际使用情况，总结出了多种巷道修复机械化配套施工方案以及巷道修复及支护工艺。巷道修复机在修复施工时根据矸石输送方式不同，几种配套方案如图３所示。
根据巷道修复机实际应用情况可知，在巷道断面及辅助输送装备满足的情况下，图３（ａ）所示配套方案（巷道修复机＋侧卸式装载机＋刮板输送机）因出矸连续性好、不需要加装二运带式输送机，整体效率最高。
３ 结语
阐述了煤矿巷道掘进与修复设备及施工工艺现状，并对目前煤矿岩巷／半岩巷道掘进及修复施工中使用的装备及施工工艺情况进行了对比，结合目前煤矿装备机械化及自动化的发展趋势，介绍了目前国内多个厂家不同型号的机械化掘进及修复装备，并根据现场应用情况总结出多套机械化掘进及修复施工工艺方案，为煤矿巷道掘进及修复提供了设备与工艺参考。