快速掘錨技術的研究與應用

王克泰

摘 要：礦山開采首先需要掘進一條用于礦、材料與人員運輸和工作面回風的順槽巷道，以形成完整的回采工作面。隨著開采規(guī)模、深度與強度的加大，礦井工作面順槽巷道的掘進在圍巖壓力、穩(wěn)定性等方面的施工環(huán)境漸趨復雜化，對巷道掘進設備的要求越來越高。同時，隨著采煤技術與設備的進步升級，智能化自動化綜采工作面不斷發(fā)展，回采速度日漸提升，迫切需要探索研究一種快速高效的快速掘進裝備，來提高掘進成巷速度與質量，緩解采掘銜接緊張。本文闡述了我礦在高產(chǎn)高效礦井建設過程中，廣泛應用的綜掘快速掘進技術。

關鍵詞：綜合采掘;快速掘錨;巷道支護

1 概述

賀西煤礦是山西焦煤汾西礦業(yè)集團有限責任公司優(yōu)勢礦井之一，年生產(chǎn)能力300萬t。該礦安全生產(chǎn)十年間，隨著采掘延伸，自動化智能化回采工作面的發(fā)展，回采速率不斷加快，采掘銜接日益緊張，對巷道的采掘速度和成形質量也越來越高。而當前掘進設備效率偏低，導致采掘比例失調的矛盾凸顯，生產(chǎn)銜接緊張成為制約礦井高產(chǎn)高效的突出問題，同時人員安全生產(chǎn)壓力巨大、生產(chǎn)成本劇增，對快速掘進一體化設備提出急迫需求。

為有效提高掘進成巷速度和質量，2018年12月賀西煤礦與中國鐵建重工集團有限公司合作，通過聯(lián)合技術開發(fā)，歷時近10個月研制一款適用于賀西煤巷全斷面快速掘錨成套裝備，于2019年11月該礦2416運巷掘進成功作業(yè)應用。作業(yè)至今4個月，最高實現(xiàn)月進尺600m，該設備實現(xiàn)掘進、支護和運輸三大工序平行作業(yè)、合理支護、裝運機械化和輔助運輸設備之間的優(yōu)化配置，極大提高了單進水平和勞動率，有效改善安全環(huán)境。

2 礦2416運輸巷工作面狀況

2416運輸巷位于賀西煤礦二采區(qū)西翼，底板標高為+690m～+760m。北側為4#未開采實體煤，東側為大巷保安煤柱，南側為2415工作面（采空區(qū)），西側毗鄰金家莊煤礦（采空區(qū)）。煤層為正斷層，走向平穩(wěn)，落差為1.8m至2m，傾向和傾角較小，受相鄰巷道影響較小，適宜引用大型連續(xù)設備進行大工作面生產(chǎn)作業(yè)。賀西礦2416運輸巷設計為矩形斷面，掘寬5.0m、掘高3.2m、掘斷面積16㎡，設計施工長度為1463m。

賀西礦2416運輸巷沿山西組4#煤層底板掘進，4#煤層呈層狀，結構復雜，內(nèi)生裂隙發(fā)育，玻璃光澤，屬半亮--光亮型煤。煤層總厚度為3.45m，煤層結構（m）：0.55（0.25）2.65，煤層含有夾矸1-3層，其中一層較穩(wěn)定，厚度0.25m。煤層可采指數(shù)為1，穩(wěn)定。煤層傾角3°～ 7°，平均5°，容重1.39t/m3。

2416運輸巷支護參數(shù)，頂錨桿采用Ф22×2400mm SMG500#高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強錨桿螺母M24×3，托板采用可調心拱型高強度托盤配減摩墊片，規(guī)格為150×150×10mm。矩形布置，間距900mm，排距1000mm，每排支6根，頂錨桿下壓錨桿托盤壓長4700mm、寬280mm、厚3.0mm的W型鋼帶壓六邊形網(wǎng)（長×寬=5000×1200mm）支護，角錨桿角度不小于75°。幫錨桿采用Ф22×2400mmSMG500#高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用高強錨桿螺母M24×3，托板采用可調心拱型高強度托盤配減摩墊片，規(guī)格為150×150×10mm。矩形布置，間距850mm，排距1000mm，每排左右兩幫各支護4根，幫錨桿下壓錨桿托盤壓長400mm、寬280mm、厚3.0mm的W鋼護板壓六邊形網(wǎng)（長×寬=3400×1200mm）支護，網(wǎng)與網(wǎng)搭接使用，W鋼護板垂直巷道布置，最上方一根幫錨桿距頂板200mm處向上傾斜15°施工，中間兩根錨桿水平施工，最下方一根幫錨桿距底板400mm處向下傾斜5°施工。錨索規(guī)格為Ф21.8×6300mm（1×19股）高強度低松弛預應力鋼絞線，間距1200mm、排距2000mm，錨索下壓300×300×14mm的可調心拱形高強度錨索托盤及配套鎖具。六邊形網(wǎng)規(guī)格：長×寬=5000×1200mm、長×寬

=3400×1200mm，垂直巷道掘進方向鋪設，網(wǎng)與網(wǎng)搭接200mm，每200mm聯(lián)一扣。網(wǎng)要貼頂貼幫鋪設，鋪平拉直。

3 快速掘錨成套裝備簡介

3.1 系統(tǒng)組成

快速掘錨成套裝備由EJM270/4-2全斷面煤巷高效掘錨一體機、煤礦用液壓錨桿鉆車、騎跨式皮帶機等設備組成，可以完成割煤、裝煤、運煤，以及巷道頂、幫支護和煤流轉載運輸工序的全機械化作業(yè)。

EJM270/4-2掘錨一體機由底盤、截割部、裝載部、刮板運輸機、錨桿支護系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及水冷卻噴霧系統(tǒng)組成。集截割、運輸、錨桿支護及超前鉆探于一體的快速掘進設備，可實現(xiàn)作業(yè)截面一次成形，煤壁平整，成形效果好，提升了截割效率。截割一個循環(huán)單次可前進1m，裝載裝置可以隨截割大臂前移，快速進行煤料裝運，效率高。主機配制四臺頂錨桿機和兩臺幫錨桿機，可以一次性完成頂面六根頂錨桿的支護作業(yè)和頂部兩根幫錨桿的支護作業(yè)，支護距離短，支護速度快，支護效果好，有效減小巷道的變形，為操作人員和設備提供安全工作環(huán)境，機載配制的增壓內(nèi)、外噴霧和泡沫除塵系統(tǒng)，噴射壓力高，噴射覆蓋面大，有效降低巷道內(nèi)的粉塵含量，極大改善工作環(huán)境，保證操作人員身體健康。

液壓錨桿鉆車由底盤、刮板運輸機、錨桿錨索支護系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及水系統(tǒng)組成，集錨桿錨索支護于一體的快速支護輔運設備。液壓錨桿鉆車可以實現(xiàn)轉運掘錨一體機截割下來的物料，前部3臺頂錨桿機并可實現(xiàn)頂錨桿錨索的支護作業(yè)，中部2臺幫錨桿機可實現(xiàn)側幫錨桿的支護，后部2臺錨索機可實現(xiàn)頂部錨索支護。騎跨式皮帶轉載機集運輸與可伸縮膠帶機重疊布置，為輔助運輸、支護材料倒運取得了有效空間。

3.2 作業(yè)過程

3.2.1 采掘過程

掘錨一體機按導向設備移動到預定位置，穩(wěn)定完成后，在安全預警和確認后，開始截割作業(yè)，截割裝置啟動后，抬升大臂至頂板平齊位置，截割大臂前移進行截割作業(yè)，截割大臂推進1m后，大臂向下俯割至底板，再拉回大臂，從面完成一個循環(huán)的截割作業(yè)，同時通過裝載裝置和刮板運輸機運將煤料送至液壓錨桿鉆車的集料斗上，液壓錨桿鉆車將其送至二運，最后送至皮帶機將其運走。截割一個循環(huán)耗時4-6min。

3.2.2 錨桿錨索支護過程

掘錨一體機上配制有4臺頂錨桿機和2臺幫錨桿機，掘錨一體機在采掘同時進行錨桿支護施工，4臺頂錨桿機完成頂板第1根、第3根、第4根和第6根共4根頂錨桿支護，其余頂錨桿留給后面的液壓錨桿鉆車支護，2臺幫錨桿機完成側幫從頂?shù)降椎牡?根和第2根錨桿支護。液壓錨桿鉆車前部安裝有2臺底腳幫錨桿機，可以用于支護側幫板最下方的一根幫錨桿，中前部配制有3臺頂錨桿，可在錨桿鉆車上自由前移或后退300mm，完成頂面的第2根和第4根頂錨桿的支護作業(yè)，并進行頂面三根錨索支護作業(yè)。中后部配制有2臺幫錨桿機，可以進行側幫的第3根幫錨桿的支護作業(yè)。錨桿鉆車尾部配制有2臺頂錨桿機，可進行第2根和第5根頂錨桿的補打作業(yè)。

3.2.3 人員配制

掘錨一體機配有一名司機和四名錨桿機支護人員，液壓錨桿鉆配有三名錨索支護人員和兩名幫錨桿機支護人員，以及為設備輔助運物料兩名人員，共計十二名工作人員。司機和錨桿機操作人員均全機械化作業(yè)，工作強度較使用手持式錨桿機進行作業(yè)大大降低。

3.2.4 掘進與支護工藝

根據(jù)煤層的地質情況，賀西煤礦快速掘錨成套裝備使用了單次掘進循環(huán)1m和單次掘連接掘進2m的掘進支護藝。在煤層較弱時，采用單次掘進循環(huán)1m掘進支護工藝，同掘錨主機一次完成頂面6根頂錨桿和側面上部的2根幫錨桿的支護作業(yè)，液壓錨桿鉆車只進行頂面3根錨索的支護作業(yè)，此方式距離開挖面的支護距離近，支護強度高，安全性高，但兩車的支護作業(yè)分配不均衡，耗時較長，一個循環(huán)約需30min;在煤層較好時，可采用單次掘連接掘進2m掘進支護工藝，掘描主機依次進行頂面6根頂錨桿支護和4根頂錨桿的支護作業(yè)，同時完成側幫的上方2根幫錨桿的支護作業(yè)，液壓錨桿上間隔進行頂面2根頂錨桿的支護作業(yè)和3根錨索的支護作業(yè)，此種支護工作方式下兩車的支護作業(yè)針對均衡，兩車同步性高，完成單次循環(huán)時間為23min左右，效率較高。

3.3 鉆探工作

掘錨一體機配有機載的超前鉆機，可對工作截面實現(xiàn)±15度、水平孔和斜向上共四個方向深孔探放作業(yè)，在掘一體主機穩(wěn)定后，鉆孔直徑95mm，鉆桿直徑74mm，有效鉆深80m，真正實現(xiàn)”“有掘必探”作業(yè)理念，而且無需移動設備或使用專門的鉆孔設備，安全有效。

4 應用情況

快速掘錨成套裝備應用于2416運輸巷（長1400m，寬5m），運用效果顯著。掘錨機截割速度快，巷道成型好，一次截割寬度即可達到巷道設計寬度5m。掘錨機有前支護可作為臨時支護，前支護到工作面迎頭最大1.5m，前支護到頂錨桿距離0.5m～1.0m，可有效支護頂板，使施工人員在有支護的頂板下作業(yè)，不會出現(xiàn)空頂作業(yè)，安全系數(shù)高。掘錨機除了能夠支護頂板以外還自帶有打幫錨桿的鉆臂，比起人工打的幫錨桿支護質量好，速度快，能及時控制兩幫，防止片幫事故發(fā)生。掘錨機成功實現(xiàn)掘錨一體化，操作簡單可靠，因此更加有利于設備維護與管理。后配的錨桿臺車及時跟進補齊錨桿錨索，掘進過程中不存在來回倒車現(xiàn)象，工作面危險源相應減少?？焖倬蝈^成套裝備實現(xiàn)連續(xù)掘進，同時平行作業(yè)，完成頂錨、錨索、幫錨的永久支護，無須頻繁調機，履帶對底板破壞程度小，安全系數(shù)大是快速掘錨成套裝備在賀西煤礦一次成功的應用。

5 效益

5.1 生產(chǎn)效率提高

使用前：掘進工作面日進尺8m，月進尺240m。需要時間1400÷240=5.8（月）;使用后：掘進工作面日進尺20m，月進尺600m，需要2.3個月，節(jié)約時間：5.8-2.3=3.5（月）

5.2 巷道維護效益

采用原臨時方式，由于支護效率不高，經(jīng)常造成巷道頂板下沉，回采工作面安裝前需要維護巷道。采用快速掘錨一體成套裝備后巷道支護提高，變形量減少，巷道維護量減少，實現(xiàn)降本增效。

5.3 安全效益

快速掘錨一體成套裝備具備機械支護，作業(yè)人員避免在空頂下作業(yè)，提高作業(yè)人員安全系數(shù)。成巷質量和效果更好，減輕頂板管理難度，降低頂板事故。

5.4 存在問題

快速掘錨一體成套裝備的設計寬度與賀西煤礦的開挖工作面尺寸匹配性不足，導致設備兩側的物料運輸通道過于狹窄，人員通過性差，對物料的運輸效率造成一定影響，從而降低整機的支護效率。

6 結論

賀西煤礦經(jīng)過四個月應用，效果顯著，月進尺實現(xiàn)600m，比普通懸臂式掘進機平均月單進高出360m左右，有效緩解回采工作面接續(xù)緊張的局面?？焖倬蝈^成套裝備能在解決截割、裝運、行走、轉載一體化基礎上，實現(xiàn)掘進、錨桿支護同步作業(yè)，從而大大提高掘進速度，滿足現(xiàn)有高產(chǎn)高效采煤工作面的配套要求?？焖倬蝈^成套裝備在我礦一次成功的應用。

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