超大傾角巷道綜掘技術應用

冀 虎 肖利金

（山東華新建筑工程集團有限責任公司，山東 泰安 271219）

0 研究背景

在煤炭開采中，綜掘機應用是制約生產效率的關鍵因素。綜掘機掘進在煤礦巷道開拓及煤炭開采中應用普遍，一般綜掘機掘進坡度范圍均為±18°。在坡度超過+25°的超大傾角情況下，綜掘機使用受到影響，存在施工效率低下、人員勞動強度大、安全系數低等問題。

在煤礦井下超大傾角巷道上山施工過程中，綜掘機往往出現爬坡無力，前進、后退困難，嚴重時甚至出現溜車現象，嚴重影響施工安全。因此迫切需要改善生產作業條件，需研究解決綜掘技術在超大傾角巷道中的施工技術難題，提高生產效率及安全作業條件。

1 工程概述

內蒙能源長城六號礦業有限公司位于鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟礦區，礦井主要開采煤層為3 層煤、5 層煤及9 層煤。根據三維地震勘探報告資料綜合分析，煤層大致呈南北走向，傾向東。煤層傾角在26°～32°，平均傾角30°。工作面開采過程中須施工順槽切眼，已滿足回采期間的通風、安裝、運輸及行人需要。1302 切眼平均坡度+29°，局部+32°，切眼全長175.6m。

2 支護設計

1302 切眼采用“錨帶網+錨索”聯合支護，斷面形狀為矩形。巷道采用機載液壓支架作為臨時支護，截割前最大控頂距0.3m，循環進度2.0m，截割后最大控頂距不超2.3m。永久支護采用錨網帶+錨索支護形式。

2.1 支護方式及驗算

2.1.1 臨時支護方法

巷道采用前探梁作臨時支護，截割前最大控頂距0.3m，循環進度2.0m，截割后最大控頂距不超2.3m。前探梁使用長度不低于4m 的鋼管制作，彎曲變形的前探梁嚴禁使用；前探梁使用不少于3 根，梁間距800mm～1200mm，使用2 根前探梁前端方木，保證不超過300mm 的兩幫端面超前支護距離。前探梁、吊環的強度要與前探梁的強度相匹配，人員必須在前探梁的有效掩護下作業。前探梁配合方木，方木規格：長×寬×厚=1500mm×120mm×120mm；方木上面用木枇加實貼緊頂板。移前探梁時，其下方嚴禁有人。頂板完整時，截割前最大空頂距不大于0.3m，截割后最大空頂距不大于2.3m，循環進尺2m。頂板破碎時縮小循環進度為1m。頂板極其破碎時，截割前先打超前錨桿作輔助臨時支護。

2.1.2 永久支護方法

1302 切眼永久支護采用錨網帶+錨索支護，具體支護如下。

2.1.2.1 開幫前

巷道凈寬4.0 米、凈高3.0 米，如圖1 所示。

巷道頂板：采用5根MSGLD-335/22×2200錨桿配W鋼帶（4300mm×280mm×3mm）及10#菱形網（4600mm×1100mm）支護，錨桿托盤采用150×10-28，間排距為1000mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

老空側幫部：采用4 棵MSGLD-335/22×2200 錨桿配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及10#菱形網（3300mm×1000mm）支護，錨桿托盤采用150×10-28，幫部肩窩和底角采用異形托盤，間排距為900mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835樹脂錨固劑錨固。

刷大側幫部：采用2 棵全螺紋式樹脂錨桿玻璃纖維增強塑料桿體 MGSL-20×2000F （圓形）配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及雙抗塑料網（2600mm×1000mm）支護，錨桿托盤采用玻璃鋼錨桿專用托盤，間排距為2000×1500mm；每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

補強支護：距離左幫1100mm、3500mm 各打設1 棵φ17.8×L6300mm普通礦用錨索，錨索托盤采用300mm×300mm×16mm鋼托盤，間排距2400mm×2000mm，每根錨索采用5 支MSK2835樹脂錨固劑錨固。

2.1.2.2 開幫后

按照凈寬3.0m、凈高3.0m 開南幫，如圖2 所示。

頂板：采用3 根MSGLD-335/22×2200 錨桿配W 鋼帶（3300mm×280mm×3mm）及10#菱形網（3600mm×1100mm）支護，與原支護交錯布置，錨桿托盤采用150×10-28，間排距為1000mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固；

刷大后幫部：采用3 棵全螺紋式樹脂錨桿玻璃纖維增強塑料桿體 MGSL-20×2000F （圓形）配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及雙抗塑料網（3000mm×1100mm）支護，錨桿托盤采用玻璃鋼錨桿專用托盤，間排距為1200mm×1500mm；每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

圖1 1302 切眼永久支護圖（開幫前）

補強支護：距離原支護錨索2400mm 打設1 棵φ17.8×L6300mm 普通礦用錨索，錨索托盤采用300×300×16mm 鋼托盤，間排距2400×2000mm，每根錨索采用5 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

2.1.3 按懸吊理論計算錨桿參數

公式如下。

式中：f—巖石堅固性系數，取6；B—巷道寬度，取7.3m；則：L=0.61m。

圖2 1302 切眼永久支護圖（開幫后）

L =0.1+0.61+0.7 = 1.41m ＜2.2m

根據桿體承載力與錨固力等強度原則計算桿體直徑d。

式中：d—錨桿直徑，mm；Q—由拉拔試驗確定的錨固力，取130kN；σ—桿體材料的抗拉強度，335MPa；則d=21.9mm＜22mm。

根據每根錨桿懸吊的巖重，計算錨桿間距排距e、i，通常按錨桿等距排列：

式中：K—錨桿安全系數，一般取1.5～2.0；γ—被懸吊巖體重力密度，取25 kN/m3。

則：e=i= 1.73m。

錨桿間排距1000mm×1000mm 可以滿足要求。

根據礦井實際情況，確定該巷道的支護參數：巷道采用錨網帶+錨索支護，錨桿采用MSGLD-335/22×2200 錨桿，錨桿間排距為1000mm×1000mm，成排成行布置。

根據選取的支護參數計算其支護密度為q=1/（1×1）=1根/m，能夠滿足支護要求。

2.2 質量要求

質量要求如下。1）錨桿的錨固方式采用加長錨， 錨固長度不小于鉆孔長度的1/3， 每根錨桿采用2 卷MSK2835 型樹脂錨固劑錨固，扭矩不小于400N·m，巖石中的錨固力不小于130kN，煤層中的錨固力不小于70kN，保證錨固端在巖石中。錨桿的安設要垂直于巷壁，與巷壁夾角不小于75°，上下幫肩窩與底角錨桿托盤使用偏心托盤，托盤要緊貼巖面不松動，接觸面積≥80%，螺紋鋼錨桿外露長度為10mm～100mm。兩幫最下一排錨桿距底板不大于300mm，與水平呈10°～30°打入。2）錨索的錨固方式采用加長錨， 錨固長度不小于鉆孔長度的1/3， 每根錨索采用4 支MSK2835 型樹脂錨固劑錨固，錨索預應力不小于200kN，錨索的安設要垂直于巷壁，與巷壁夾角不小于87°，錨索外露長度為150mm～250mm。3）菱形網，網格50mm×50mm，網與網之間搭接100mm 緊貼巷道巖面。

2.3 質量規定

質量規定見表1。

3 掘進施工方法

3.1 具體方法

沿3 煤頂板掘進，采用激光定向，綜掘落煤，綜掘機一運，耙裝機，刮板輸送機，再到帶式輸送機運煤的施工方法。小斷面上山掘進，然后進行刷幫完成大斷面施工。巷道上山掘進具體方案如下。1）將綜掘機二運轉載皮帶拆除，安裝一部刮板輸送機在掘進機后部，刮板輸送機搭載平巷皮帶，解決綜掘機多余負載問題，隨著巷道掘進，擇機選擇增加搪瓷溜槽接續刮板輸送機。2）現場人為設計制造緩坡小傾角平臺。給掘進機創造爬升條件，掘進機截割后，掘進落煤暫不外運，將掘進煤墊在綜掘機履帶輪底部，機組后部可適當多墊，人為制造一個坡度為13°～15°，長度為13m 左右的“臨時底板”（掘進機機身長為11m），以降低掘進巷道底板坡度，使掘進機具備自行爬坡能力。3）掘進時，綜掘機要前后調整，以便下部浮煤壓實，避免綜掘機打滑，待掘進通過后，再清理浮煤至設計斷面，一個循環一個循環重復進行。4）人工制造的臨時底板鋪墊的均為浮煤、浮矸，整體松軟不耐壓，堅決杜絕流水沖刷，在施工時，要特別注意排水，治水。5）掘進過程中由于巷道坡度大，為防止掘進時煤和矸石竄出或滾落傷人，應在中部溜子處架設擋矸設施。

表1 綜掘巷道切眼施工質量規定

3.2 綜掘機生產工藝流程

開機前安全檢查→校對中線→煤粉監測→綜掘機割、裝、運→清浮煤→退出綜掘機組→敲幫問頂→臨時支護、鋪網背頂→打錨索、錨桿支護→下一個循環。

3.3 檢修工藝流程

檢修前準備→檢修綜掘機各部位，加油、更換截齒，檢修各部刮板運輸機→皮帶運輸機及延伸，下料、其他工作→正常掘進。

掘進工作面最大循環進尺為2000mm，最小循環進尺為1000mm。

4 截割順序和支護方法

4.1 截割機具和鉆眼機具

使用EBZ-200A 型綜掘機掘進，打頂錨桿、錨索眼支護使用MQT-130 型氣動錨桿鉆機，打幫錨桿支護使用7665（7655）M 型風鉆進行。

4.2 機組截割順序、方法

4.2.1 開機順序

將綜掘機電控箱右側隔離開關手柄扳至“接通”位置→將“復位/警報”開關旋至“警報”位置→發出開機信號→將“油泵啟/停”開關旋至“啟動”位置→在警報先鳴響5S后油泵電機啟動運轉→將“截割電機啟/停”開關旋至“啟動”位置→在警報先鳴響5s 后截割電機啟動運轉→將“二運電機啟/停”開關旋至“啟動”位置，二運電機啟動運轉。

4.2.2 綜掘機滾筒截割斷面工藝

4.2.2.1 截割工藝

綜掘機截割完成一個循環，斷面達到規定標準要求后退出綜掘機，使截割部機頭落地，閉鎖截割部電動機，斷開綜掘機上的電源開關和真空磁力啟動器的隔離開關，支護人員在上一循環永久支護和前探梁臨時掩護下，掛網上梯子梁打頂幫錨桿錨索緊固后，再進行下一個循環。

4.2.2.2 斷面支護方法

在綜掘機割出一個循環進度后，后退設備，讓截割頭落地，將截割部電動機閉鎖，斷開設備電源開關和真空磁力啟動器的隔離開關，嚴禁專職司機以外人員操作綜掘機。作業人員用不小于2.0mm 長的長柄工具，處理頂幫活矸危巖并進行敲幫問頂，確保掘進迎頭無安全問題時，支護人員在上一循環永久支護下從外向里前移前探梁臨時支護→掛網上W鋼帶→打頂錨索→上好W 鋼帶、漲拉鎖具→用錨索漲拉器檢查扭力矩是否合格→打注頂錨索后→打幫錨桿→掛網上托板→扭矩扳手檢查扭力矩是否合格→不合格繼續增加扭力→合格為止（幫錨桿為400N·m）。截割時，必須要全斷面掛網、錨桿、錨索及時支護。

5 勞動組織

采用正規循環作業方式組織生產，“三八”工作制。每班2 個循環，每日完成5 個循環（早班檢修，掘進一個循環）。1-1 斷面循環進度2m，日進10m，月進250m；2-2 斷面，循環進度1m，日進度5m，月進度125m（影響時間每月總計5 天）。

6 超大傾角巷道掘進綜掘安全技術措施

6.1 平行作業

為了使 EBZ-200A 型綜掘機發揮最大功效，提高巷道掘進速度，在掘進和運輸設備生產能力有保障的情況下，研究加快支護速度、提高質量顯得尤為重要。在巷道的掘進中采用多臺MQT-130 型氣動錨桿鉆機施工頂部錨桿、錨索眼，多臺7665（7655）M 型風鉆施工幫部錨桿眼的頂幫聯合平行作業的方式，減少調機時間和次數，協調好截割與支護的關系。縮短頂幫暴露時間、減少施工過程中片幫、冒頂危害，保障施工安全和進度。

6.2 綜掘機安全使用措施

綜掘機安全使用措施如下。1）綜掘機必須裝有只準以專用工具開、閉的電氣控制回路開關，專用工具必須由專職司機保管。2）施工過程中，綜掘機上所有的安全閉鎖、保護裝置必須堅持使用，嚴格禁止擅自改動或者甩掉不用，液壓系統、霧化系統各部的壓力不經專業人員指導，不得隨意調整。3）安排專職司機操作綜掘機，必須全部斷開綜掘機上的電源開關并閉鎖，否則司機嚴禁離開操作臺。4）綜掘機操作側對側，必須安裝緊急停止按鈕。專人定期試驗，有隱患及時處理，隱患未處理嚴禁繼續使用該綜掘機，記錄存檔被查。5）綜掘機開動前，必須發警報。確認綜掘機鏟板前方及截割臂附近無人時，方可開動設備。施工過程中不論是開機、退機或調機，必須發出報警信號。6）綜掘機作業時，要嚴格按規定使用內、外噴霧裝置，配合除塵器形成綜合防塵系統，以便對掘進迎頭含塵氣流進行有效控制。機載內噴霧裝置工作壓力不得小于2.0 MPa，外噴霧裝置工作壓力不得小于4.0MPa。綜掘機出現無水、噴霧裝置損壞、霧化不好等以上任意情況必須停機。7）截割部運行時，嚴禁人員在截割臂下停留和穿越，機身與煤（巖）壁之間嚴禁站人。8）迎頭交班或者綜掘機停止工作時，必須將綜掘機截割部落地，將鏟板、一運和二運上的余煤矸排凈，全部斷開綜掘機上的電源開關、磁力啟動器等隔離開關并閉鎖。9）綜掘機檢修時，其他人員嚴禁在截割臂、截割頭和轉載橋下方停留或作業。10）每班掘進前，班組長要和綜掘機司機一起認真檢查迎頭圍巖和支護、通風、瓦斯及設備周圍情況，確保工作場所安全、整潔、無障礙物。11）檢修綜掘機、綜掘機停止作業或交班前，人員在迎頭施工時，首先將綜掘機退至迎頭外5 米，然后將截割頭落地，開關停電閉鎖，并在截割頭上安裝防護罩，防止截割頭傷人。12）綜掘機開機前，對機器必須進行檢查。13）經檢查現場無異常，并確認機器正常，作業人員撤到安全區域后，可合上電源總開關，按操作規程要求的正規程序進行空載試運轉，嚴禁帶負荷運轉起動。14）綜掘機開機前必須發出警報信號，閉合隔離開關，按設備操作規定順序起動設備。一般情況下起動順序：液壓泵→放下鏟板→鏟板貼緊底板→后支撐貼緊底板→二運轉載皮帶機→一運刮板輸送機→鏟板行星輪→截割頭。15）按施工作業規程進行截割工作，現場觀察根據不同性質巖層，確定最佳截割方式。截割深度決定于圍巖的截割阻力，截割的速度取決于瓦斯的涌出量及風量，一般以液壓系統的壓力不超整定值、截割電機接近滿載、設備不產生強烈震動、掘進落煤效率最高為宜，通常推薦截割深度為截割頭直徑的2/3。16）迎頭過斷層時，要根據現場實際情況制定補充專項措施。通過下壓正斷層時，可采用后退臥底法，嚴格按中腰線設計施工，下盤巷道超高處及時補打錨網支護，上盤挑需要頂掘進確保巷道高度；當巷道通過上跳正斷層時，采用后退或者直接割頂法，直接割頂法：綜掘機直接將上盤頂板或者下盤煤挑至頂板、下盤可根據斷層落差來最終確定臥底尺寸。并在兩盤結合處通過補打錨索等方式加強支護。17）巷道掘進時，迎頭要做到底板平、兩幫直，無傘檐，施工高度符合掘進作業規程要求。迎頭掘進遇斷層或者構造時，必須制定專項施工措施，嚴格按綜掘機設計截割硬度截割。迎頭掘進后要盡快支護，減少圍巖暴露時間，及時支護新暴露出來的圍巖，施工過程中要及時摘除圍巖懸矸。在掘進過程中發生片幫、掉頂時，要立即停止截割，緊急采取適當措施，加強頂板及兩幫維護，避免發生冒頂事故。

7 結語

在傾角綜掘機施工工藝在大坡度煤巷掘進，尤其是在超大傾角煤巷掘進中優勢明顯，通過該方案的現場實施，平均日進尺由之前的4m 提升至6m 以上，施工效率提高50%，取得了比較理想的效果，達到了預期目的。在同類或類似工程條件下，不僅具有良好的經濟效益，同時也有良好的社會效益，具有一定的推廣價值。