半孤島掘進工作面快速掘進工藝的研究與應用

竇衍來 叢興春 張 健

（棗礦集團高莊煤業有限公司，山東 微山 277605）

綜采技術水平的提高客觀上促進了綜掘技術的進步，對掘進成巷速度和綜掘自動化提出了更高要求。加強掘進頂幫安全管理，提高煤巷快速掘進技術水平，創建質量標準化優質工程，是當前煤礦采掘均衡發展亟待解決的問題。高莊煤業有限公司在3下1104運輸巷進行了一系列的研究與應用，對于解決復雜地質條件下大斷面回采巷道快速掘進施工中存在的普遍性問題，實現煤巷綜合機械化快速掘進及巷道支護“安全、快速、經濟”的目標，具有重要的現實意義。

1 概況

3下1104運輸巷位于西十一采區西翼中部，巷道南部為3下1102工作面采空區，北部為實體煤，東部為西十一采區四條下山，上部為3上1102工作面采空區。空間關系如圖1、圖2所示。

巷道所處地層為二疊系山西組3下煤層，內生裂隙發育，3下煤層厚度3.5～5.2m，平均4.0m。3上、3下煤層巖柱厚度為7.0～8.0m，平均7.5m。巷道上部3上煤層回采過程中斷層附近存在破底板巖石情況，最大破底厚度約2.0m。

根據3上1102運輸巷、3上1104工作面和3下1102運輸巷等周邊采掘揭露情況，預計3下1104工作面共發育32條斷層，其中工作面運輸巷預計揭露斷層24條，對掘進影響較大。

圖1 3煤巷道布置空間關系平面示意圖

圖2 3煤巷道布置空間關系剖面示意圖

2 生產工藝及設備配套

高煤公司于2019年引進使用了MB670-1型掘錨機等快速掘進機械和相應技術，該設備具有一次掘支成巷、施工速度快、頂板支護好、巷道規格標準等優點。為匹配該掘錨機連續作業的特點，配套相應的運輸系統，后路配備LY2000型連續運輸車、永磁變頻電滾筒皮帶運煤，無極繩絞車、風動單軌吊運輸物料，實現了煤流、物料雙系統高效運輸。通過實現掘、支、運三大工序的優化配置，最大限度提高了勞動效率和單進水平。

2.1 掘錨工藝優化

應用MB670-1型掘錨機進行掘錨作業，該設備配備6臺機載液壓錨桿機，其中4臺用于頂板支護，2臺用于幫部支護，并自帶用于臨時支護的液壓支撐架、防塵高壓水噴霧系統和濕式除塵系統。在迎頭截割時可以頂幫同時進行錨桿鉆孔作業，實現截割、裝載、運輸和錨護平行作業。

該設備通過無線遙控器操作，操作人員在切割護板后通過屏幕觀察操作，全斷面記憶截割，自動控制水平位置和巷道的截割高度。與EBZ-260綜掘機相比，每循環截割時間由30min縮短至7min，切割效率提高73%。

2.2 運煤流程優化

使用掘錨機完成割煤、支護后，應用LY2000型連續運輸車與MB670-1型掘錨機配套運煤，該設備由帶式轉載機、履帶式轉載破碎機及剛性皮帶機架組成，具備大塊煤矸破碎功能，消除了大塊煤矸運輸隱患和堵倉問題，平均運輸能力達到800t/h。連續運輸車前端為接煤槽，迎頭切割出煤時緊跟掘錨機，隨掘錨機移動，煤流經轉載破碎機破碎，進入帶式轉載機、永磁變頻電滾筒皮帶機，形成連續運輸系統。

2.3 輔助運輸優化

后路采用無極繩絞車配合風動單軌吊進行物料輔助運輸，并對無極繩絞車進行升級，安裝無線視頻，實現運行過程中無線監控，無需跟車人員，優化輔助運輸人員配置。

3 支護設計優化

MB670-1掘錨機在應用之初就面臨著3下1104運輸巷大斷面、深埋高應力、半孤島工作面順槽掘進壓力大的問題，支護參數既滿足支護強度需求，又能適應掘錨機快速掘進的需要就顯得極為重要。高煤公司通過聯合中國礦業大學進行技術攻關，結合該巷道地質構造、周邊采場情況及MB670-1型掘錨機錨護系統參數，不斷優化支護方式，確定了“高強度、低密度”支護技術方案。支護材料清單如表1所示。

表1 3下1104運輸巷錨桿（索）支護材料清單

3.1 正常條件下錨桿（索）支護技術方案

正常條件下頂幫均采用細螺紋高強螺紋鋼錨桿（右旋，Q600），設計扭矩400N·m，頂板每排布置6棵錨桿，間排距均為1000×2000mm，幫部每排布置4棵錨桿，間排距均為1000×1000mm，配合翼型鋼帶加強支護；頂部每排布置4棵錨索，錨索間排距1300×2000mm，即隔一排錨桿布置一排錨索；幫部兩根錨索間排距為2000×2000mm。巷道支護斷面如圖3、圖4所示。頂板及兩幫網距加大后，在保證巷道支護強度的基礎上，減小了支護材料的消耗。另外，在巷道中安裝了頂板離層及錨索應力監測系統，定期進行采集數據，驗證支護方案的可靠性。

3.2 特殊條件下錨桿（索）支護技術方案

3下1104工作面運輸巷沿3下1102工作面采空區留設4.5m小煤柱掘進，且上部為3上1104工作面采空區和3上1102工作面采空區遺留煤柱。由此，3下1104面運輸巷局部地段因采動影響而引起了頂板巖石破碎、局部地段受斷層影響而導致頂板巖層破碎。針對因采動及斷層等因素引起3下1104運輸巷頂板條件的異常，在“正常條件下錨桿（索）支護技術方案”基礎之上，提出了兩種補充方案：

（1）當頂板完整巖柱厚度大于5.0而小于6.0m時：

①在錨桿與錨索排之間補打4根注漿錨索；

②原頂板錨索支護排，根據頂板巖柱實際厚度，錨索長度在4.0～5.5m間選取；

③當頂板巖柱厚度小于5.0m時，組織專家對支護方案進行重新論證。

（2）掘進時遇斷層破碎帶時，應確保頂板巖柱厚度不小于6.0m，且應破底掘進施工，但破底深度不易大于2.0m。

①在錨桿與錨索排之間補打6根注漿錨索；

②原頂板錨索支護排每排布置6根錨索，間排距變更為：900×800mm；

③原頂板錨桿支護排每排布置7根錨桿，間排距變更為：800×800mm；

④如頂板隨掘隨冒，應采取超前注漿或打管縫錨桿控頂；

⑤如在采取上述措施后，頂板仍發生較大變形而難以控制，應及時扶棚。

圖3 3下1104運輸巷錨桿（索）支護斷面圖

圖4 3下1104運輸巷錨桿（索）支護斷面展開圖

4 勞動組織優化

（1）取消夜班生產，科學合理匹配人員

在施工過程中不斷優化勞動組織，掘進工作面取消了夜班生產，采取“二七一四”制作業方式。早班為生產準備班(6:00～10:00)，為生產班做好開工準備工作，滿足掘進頭面延接皮帶、電纜、風水管路需求；中班(10:00～17:00)、晚班（17:00～24:00）集中生產。

（2）“一人多崗、一崗多能”機制，提升人力資源效能

嚴控工作面出勤人數，掘進迎頭單班下井作業人數不超過8人。將無極繩絞車和可視化集控操作臺、智能巡檢機器人操作箱并排布置，便于操作，實現無極繩絞車司機、皮帶司機、檢修工崗位“三崗合一”。

5 結 論

高煤公司在大斷面、采空區下薄巖柱、斷層等諸多不利因素情況下，通過復雜地質條件下快速掘進工藝的研究和應用，創出了月進尺 646m的好成績，保證了工作面正常接續，為礦井的高產高效建設奠定了基礎。通過進一步的實踐與完善，該快速掘進工藝將具有更加廣闊的應用前景。