掘錨一體機(jī)在華陽二礦巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用

郭智慧

（山西華陽新材料科技集團(tuán) 機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 030499）

2021 年我國原煤產(chǎn)量40.7 億t，其中井工開采占比在90%以上。采用井工開采的煤礦，需要掘進(jìn)巷道形成完整的生產(chǎn)、運(yùn)輸、通風(fēng)等系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)煤礦每年新掘進(jìn)巷道在13 000 m 以上，掘進(jìn)量巨大。由于巷道掘進(jìn)不及時(shí)造成礦井采掘接替緊張，影響正常生產(chǎn)的事情時(shí)有發(fā)生。近年來，巷道快速掘進(jìn)理論及裝備取得了一定的進(jìn)展，機(jī)械化水平得到提升。本文以華陽二礦81203 工作面為工程背景，開展煤巷快速掘進(jìn)裝備及關(guān)鍵技術(shù)的研究。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

華陽二礦81203 工作面位于470 水平十二采區(qū)，工作面東部為尚未掘進(jìn)的81205 工作面及回風(fēng)順槽，西部為已回采的81201 工作面，南部為十二采區(qū)準(zhǔn)備巷，北部為礦井邊界。工作面所采煤層為15 號煤，屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層總厚度3.2～4.7 m，平均4.22 m。煤層傾角3°～35°，平均5°，局部地段增大至25°以上。煤層基本頂為石灰?guī)r，厚度為1.7 m，巖性致密堅(jiān)硬，富含動(dòng)物化石，中部夾薄層鈣質(zhì)頁巖，節(jié)理發(fā)育巖。直接頂為泥巖和0.2 m 厚的14 號煤，泥巖厚度為1.5 m，巖性致密，性脆，含少量鈣質(zhì)，含方解石細(xì)脈。直接底為泥巖，厚度為2.06 m，巖性致密，含少量鈣質(zhì)，含星點(diǎn)狀黃鐵礦夾鐵質(zhì)結(jié)核及方解石細(xì)脈。

81203 工作面走向長1 637 m，傾斜長222.7 m，總體形態(tài)為背、向斜相間發(fā)育的寬緩褶曲構(gòu)造。工作面采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

1.2 支護(hù)方式

工作面共布置5 條巷道，分別為進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、切巷、走向巖石低位抽采巷及走向巖石高位抽采巷。工作面回風(fēng)順槽規(guī)格為4 600 mm×4 400 mm（寬×高），采用錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。

圖1 回風(fēng)順槽支護(hù)Fig.1 Return air trough support

頂錨桿為φ20 mm×2 000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距為900 mm，每排布置6 根，中間4 根垂直頂板如圖所示。每排錨桿采用W 鋼帶連接。

頂錨索的規(guī)格為φ21.6 mm×6 200 mm，五花布置，間距為2 000 mm，排距為900 mm。

實(shí)體煤幫錨桿規(guī)格與頂錨桿一致，回采幫采用玻璃鋼錨桿，規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm。幫錨桿間排距為1 000 mm×900 mm，每排布置5 根，最上位錨桿向上傾斜15°，其余垂直巷幫布置。

2 關(guān)鍵裝備及技術(shù)

2.1 煤巷快速掘進(jìn)方案

目前，我國常用的煤巷快速掘進(jìn)作業(yè)設(shè)備配套機(jī)組主要有3 種，不同配套的對比見表1。結(jié)合表1 中優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)華陽二礦81203 工作面具體情況，選擇采用掘錨一體機(jī)進(jìn)行快速掘進(jìn)設(shè)計(jì)。

由15 號煤頂?shù)装鍘r性可以看出，81203 工作面煤層直接頂板為泥巖，強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，因此采用常規(guī)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)在施工過程中，如果由于支護(hù)不及時(shí)容易出現(xiàn)冒頂、片幫等，影響掘進(jìn)效率。因此，結(jié)合表1 所述優(yōu)缺點(diǎn)，在81203 工作面回風(fēng)順槽選擇采用掘錨一體機(jī)進(jìn)行巷道施工，掘錨一體機(jī)型號EBZ260M。

表1 不同配套方案的對比Table 1 Comparison of different supporting schemes

2.2 掘錨一體機(jī)主要參數(shù)

EBZ260M 掘錨一體機(jī)如圖2 所示，該一體機(jī)基于傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)和支護(hù)的集成作業(yè)，大大提高了掘進(jìn)速度，其主要參數(shù)如下：

圖2 EBZ260M掘錨一體機(jī)Fig.2 EBZ260Mdigging anchor machine

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 掘運(yùn)支一體化

實(shí)踐表明，煤巷掘進(jìn)中頂板及兩幫的支護(hù)速度是影響掘進(jìn)速度的主要因素。掘錨一體機(jī)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)3 個(gè)工藝，與連采機(jī)相比，無需退機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對巷道的支護(hù)，大大提高了生產(chǎn)效率，滿足81203 工作面回風(fēng)順槽快速支護(hù)的要求。

2.3.2 遙控及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

EBZ260M 掘錨一體機(jī)上安裝有機(jī)載控制器，通過網(wǎng)絡(luò)與地面控制系統(tǒng)相連接，可實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制，包括割煤、運(yùn)輸?shù)取Ｍ瑫r(shí)在掘錨一體機(jī)上布置攝像頭，可實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面掘進(jìn)狀態(tài)，迎頭煤巖體的產(chǎn)狀等信息可實(shí)時(shí)傳輸至地面，及時(shí)對巷道掘進(jìn)情況進(jìn)行調(diào)整。

2.3.3 濕式除塵技術(shù)

在EBZ260M掘錨一體機(jī)后部裝有局部通風(fēng)機(jī)，將距離迎頭3～5 m 處的污風(fēng)吸入到抽塵風(fēng)筒中，風(fēng)筒出口安裝有離心濕式除塵器，將煤塵打濕隨水排走，減少了粉塵污染，有效改善了作業(yè)環(huán)境。

2.3.4 運(yùn)輸自動(dòng)化技術(shù)

在地面調(diào)度安裝控制器，引入一體機(jī)的工況、帶式輸送機(jī)的控制、除塵器的控制等，可在地面啟動(dòng)運(yùn)輸及除塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對迎頭落煤的遠(yuǎn)程運(yùn)輸。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 掘進(jìn)工藝

使用掘錨一體機(jī)進(jìn)行81203 工作面回風(fēng)順槽快速掘進(jìn)，其工藝分為割煤、運(yùn)煤和支護(hù)3 大部分。

3.1.1 割煤工序

巷道一次成形，每次割煤深度800 mm。具體流程如圖3 所示。

圖3 掘錨一體機(jī)割煤示意圖Fig.3 Coal cutting demonstration of digging anchor machine

（1） 升高截割頭。

操作一體機(jī)將切割頭升至巷道的設(shè)計(jì)高度。

（2） 啟動(dòng)切割頭。

啟動(dòng)截割點(diǎn)擊，使得截割滾筒旋轉(zhuǎn)割煤，在巷道設(shè)計(jì)高度方向割煤，每次割煤深度為800 mm。

（3） 向下割煤。

巷道最高處割煤完成后，由上向下依次割煤，直至將整個(gè)巷道斷面煤體切割完成。

（4） 前進(jìn)。

完成上述動(dòng)作后，即完成一個(gè)斷面的切割，將掘錨一體機(jī)前移，并將截割頭升至最高處深入煤壁中。

3.1.2 運(yùn)煤工序

EBZ260M掘錨一體機(jī)上安裝有鏟板和三星輪，可將落煤裝載至輸送機(jī)上。利用轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)至二部皮帶、頭部皮帶，經(jīng)過華陽二礦15 號煤十二采區(qū)皮帶，將煤輸送至15 號煤十二區(qū)煤倉。

3.1.2 運(yùn)煤工序

EBZ260M掘錨一體機(jī)上安裝有鏟板和三星輪，可將落煤裝載至輸送機(jī)上。利用轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)至二部皮帶、頭部皮帶，經(jīng)過華陽二礦15 號煤十二采區(qū)皮帶，將煤輸送至15 號煤十二區(qū)煤倉。

3.1.3 支護(hù)

巷道支護(hù)分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)2 種。EBZ260M 掘錨一體機(jī)本身安裝有液壓支撐架和支頂帳篷作為臨時(shí)支護(hù)裝置。在割煤之前和割煤過程中，將液壓支撐架撐起，支護(hù)裸露的頂板。割煤完成進(jìn)行永久支護(hù)之前，利用支頂帳篷護(hù)住工作區(qū)域。

巷道永久支護(hù)是錨桿索支護(hù)，與單體錨桿鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)不同，掘錨一體機(jī)的永久支護(hù)分為以下步驟：①將掘錨一體機(jī)的模式調(diào)至“錨桿”模式；②將4 個(gè)前支撐盤分別與頂?shù)装寰o密接觸；③永久支護(hù)工登上作業(yè)平臺，首先將網(wǎng)片連接作為臨時(shí)護(hù)頂護(hù)幫用；④操作一體機(jī)上的錨鉆至預(yù)訂位置，進(jìn)行打眼；⑤將樹脂藥卷送入鉆孔中，安裝頂錨桿，邊攪拌邊推進(jìn)，直至錨桿達(dá)到鉆孔底部；⑥等待60 s，待錨固劑凝固后，安裝錨桿螺母，同時(shí)將幫網(wǎng)和頂網(wǎng)連接；⑦用同樣的方式安裝巷道兩幫最上位的錨桿，滯后一段距離在掘錨一體機(jī)后方安裝剩余幫錨桿。

3.2 礦壓觀測

巷道成形后，為驗(yàn)證EBZ260M 掘錨一體機(jī)的應(yīng)用效果，設(shè)置測站對巷道表面位移進(jìn)行觀測。測站間距為50 m，共設(shè)置5 個(gè)，觀測內(nèi)容主要為巷道頂板下沉以及兩幫移近量。以3 號測站為例，觀測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道表面位移觀測結(jié)果Fig.4 Observation results of roadway surface displacement

由觀測結(jié)果可以看出，巷道掘進(jìn)后，變形量較大，30 d 左右巷道變形達(dá)到穩(wěn)定，頂板最大下沉量為90 mm，兩幫移近量為70 mm。總體巷道變形量小，支護(hù)效果理想。

3.3 效益分析

EBZ260M 掘錨一體機(jī)在華陽二礦81203 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)中取得了理想的效果。現(xiàn)場應(yīng)用中，最高日進(jìn)尺達(dá)35.6 m，平均進(jìn)尺31.4 m，是傳統(tǒng)懸臂掘進(jìn)機(jī)速度的1.48 倍，為工作面開切眼的提前貫通奠定了基礎(chǔ)。

除巷道掘進(jìn)速度提升外，掘錨一體機(jī)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下方面。

（1） 一體機(jī)利用機(jī)載支撐架對頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，有效避免了空頂作業(yè)，大大提高了安全性。

（2） 鉆眼速度快，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，并且自帶除塵系統(tǒng)，煤塵小，作業(yè)環(huán)境得到得到改善。

（3） 掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了單巷掘錨支一體化，取消了雙巷掘進(jìn)中的聯(lián)絡(luò)巷，有利于減少無效進(jìn)尺，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

與工作面回采相比，巷道掘進(jìn)機(jī)械化發(fā)展水平較低，造成采掘接替緊張，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)和支護(hù)的集成作業(yè)，大大提高了掘進(jìn)速度，具有掘運(yùn)支一體化、遙控及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、濕式除塵技術(shù)和運(yùn)輸自動(dòng)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。將EBZ260M 掘錨一體機(jī)在華陽二礦81203 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)中成功應(yīng)用，現(xiàn)場實(shí)踐表明，掘錨一體機(jī)是懸臂掘進(jìn)機(jī)速度的1.48 倍，并且改善了作業(yè)環(huán)境，提高了安全性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。