煤礦掘進工作面快速掘進工藝技術研究

趙 偉

（山西天巨重工機械有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

我國煤礦90%以上為井工開采、煤礦開采、掘進先行，采掘銜接緊張一直是圍繞煤礦高產高效的主要矛盾點，掘進效率低、支護速度慢是絕大多數礦井面臨的主要難題，因此，探討煤礦掘進工作面快速掘進工藝，尋求掘進支護高效施工技術是解決當下煤礦快速掘進的必經之路，對緩解采掘接替的緊張局面，保證“高產高效”礦井持續發展具有重大意義[1]。

1 掘進工藝現狀

我國煤礦現階段采煤工作面機械化程度較高，基本實現了機械化采煤，采煤機、刮板輸送機、液壓支架、破碎機、帶式輸送機全部能夠實現配套組合，并逐步向自動化控制領域邁進。但縱觀國內掘進工作面，機械化程度還較低，許多礦井的支護作業工序還停留在風動錨桿機人工作業階段，導致施工過程中存在以下問題：

1）安全系數低：空頂空幫作業、空頂時間長、空頂范圍大、支護范圍小、支護不及時。

2）作業環境差：粉塵濃度高，易引發塵肺病；淋水作業，易引發風濕病；噪聲大，有害于員工身體健康。

3）勞動強度大：機械化程度低，需人工搬運鉆機和支護材料、搭建平臺，勞動強度大。

4）掘進工效低：輔助時間長、鉆進速度慢、支護時間長、成巷速度慢。

因此，結合我國煤礦不同地質條件，對煤礦掘進工藝及相關掘進技術進行研究就顯得非常重要，在研究中還需要對現有工藝進行分析，找出存在的弊端和亟需解決的主要矛盾，逐一進行技術攻關，最終促進巷道掘進工作面的機械化、自動化、智能化水平邁上一個新臺階[2]。現階段國內掘進工藝主要包括以下幾種：

1）掘進機配套單體氣動錨桿鉆機：目前該工藝還占據掘進工藝的主流，多數礦井也僅將掘進作業中的割、裝、運實現了懸臂式掘進機機械化作業，而支護工序還停留在使用單體錨桿鉆機、氣動鑿巖機等人工作業模式，支護作業占用掘進時間較長。單體錨桿鉆機還需要人工搬運、搭腳手架，掘進效率較低，安全隱患多。

2）掘進機配套液壓錨桿鉆車：煤礦用液壓錨桿鉆車在2003 年左右開始在一些煤礦推廣，起初原晉煤集團采用液壓錨桿鉆車作業較早，開創了錨桿鉆車與掘進機交替作業新工藝的先河，使用錨桿鉆車作業從極大程度上改善了支護作業環境，在提升作業效率的同時大大減輕了工人的勞動強度，也保證了安全性。巷道掘進的機械化程度也超過了90%，錨桿鉆車與掘進機的使用是掘進工藝的一次重大變革，填補了國內支護機械化的空白。近年來，該工藝逐步在全國多數礦井進行推廣使用。

3）掘錨一體化掘進工藝：該工藝分為兩種模式，其中一種是采用橫軸式滾筒，4 臺頂錨桿鉆機呈一條直線布置于滾筒后部，可同時施工頂板錨桿，幫部錨桿滯后施工，該掘錨機施工時受條件限制較多，且空頂距較大（1.5 m），因此，只能適用于頂板平整且煤層走向及地質條件較好的礦井，近些年也主要在神華、陜煤等礦井使用；另一種是基于縱軸式掘進機研發的掘錨機組，將錨桿鉆機布置于機身左右兩側，掘進作業完成后錨桿鉆機滑移至截割頭上方左右兩側，利用錨桿施工鉆臂的360°旋轉功能實現不同高度、各種角度錨桿錨索的機械化施工作業，施工效率及作業環境得到了根本性的轉變，且縱軸式掘錨機因鉆臂機構可伸至工作面迎頭，使空頂距大大縮小。針對一些頂板條件差、構造復雜的工作面，該工藝具有適應性廣、支護速度快、支護質量高、勞動強度低等優點。

4）掘進機配套單軌吊錨桿鉆車：該工藝將錨桿鉆車布置于巷道上方，采用單軌吊結構實現錨桿鉆車的前移與后退。在掘進機截割作業時，錨桿施工鉆臂后退至掘進機的尾部，與掘進機截割作業互不影響，在截割完成后通過單軌吊驅動錨桿鉆臂至工作面迎頭，并將錨桿鉆臂鎖緊至軌道上，此時操作錨桿鉆臂便可實現對巷道內錨桿錨索的機械化支護作業。該工藝因單軌吊需在掘進機機身上方前后移動，對巷道高度有最低限制，只適用于高度較高的掘進工作面，使用范圍受到一定限制。

2 快速掘進工藝研究

通過對現有掘進工藝的分析與研究，并結合巷道掘進中的割、裝、運、支四大工序，可以清楚地了解到在煤礦掘進過程中割、裝、運已全部實現了機械化作業，技術較成熟且能夠同時進行。制約掘進效率的主要工序在錨桿、錨索支護環節，支護工序占用掘進時間較長且機械化程度低，未來如果要實現快速掘進，必須將支護工序與截割工序統籌考慮，尋求更加合理的作業模式，重點要在掘支平行作業方面尋求更大的突破，使掘進環節中的割、裝、運與錨桿支護同時進行，從根本上縮短作業時間，提升掘進效率[3]。通過對掘進現狀分析，并結合不同地質條件，煤礦快速掘進工藝有以下幾種形式可以推廣。

2.1 橫軸式掘錨機+錨桿轉載機組

該工藝適用于地質條件較好的礦井，掘錨機上的4 臺頂錨桿鉆機完成前部頂錨桿施工，緊跟其后的錨桿轉載機組一方面完成物料的轉運，另一方面通過安裝于其機身上的3 臺頂錨桿鉆臂及兩臺幫錨桿鉆臂完成后續錨桿及錨索的機械化作業，且在施工過程中后部錨桿與前部錨桿可同時施工，互不影響，掘支同時施工的作業模式促進了掘進效率大幅提升，但該工藝并不適合大范圍推廣，目前在神華、陜煤等條件較好的礦井使用。橫軸式掘錨機+錨桿轉載機組的快掘工藝布置如圖1 所示。

圖1 橫軸式掘錨機+錨桿轉載機組的快掘工藝布置圖

2.2 懸臂式掘進機+滑移式臨時支護+跨騎式液壓錨桿鉆車

該工藝通過滑移式臨時支護裝置很好地解決了工作面迎頭的支護問題，掘進機位于滑移式臨時支護裝置下完成截割作業，在截割作業同時，位于掘進機后部的跨騎式液壓錨桿鉆車通過安裝4 臺全方位360°旋轉的鉆臂，可實現頂幫錨桿及錨索的高效便捷施工，施工作業靈活，掘支可平行施工，作業效率較現有的掘進工藝提升50%左右，且該工藝在地質條件選擇方面適應性廣，臨時支護裝置有滑移式和無反復支撐門式兩種形式。目前該工藝正在焦煤集團西山煤電下屬礦井推廣應用，將來面對地質條件不太好的礦井都能嘗試該工藝的推行。懸臂式掘進機+滑移式臨時支護+跨騎式液壓錨桿鉆車的快掘工藝布置如圖2 所示。

圖2 懸臂式掘進機+滑移式臨時支護+跨騎式液壓錨桿鉆車的快掘工藝布置圖

2.3 護盾式掘錨一體化機組作業

以上兩種形式雖然在掘支平行作業方面有一定的突破，但根據不同地質結構掘支平行處于部分平行或階段平行，未來煤礦掘進工藝如果想在效率提升及作業環節優化方面有進一步的改善，真正實現全部平行施工是目標，護盾式掘錨一體化作業將是發展方向，將掘進環節的割、裝、運、支全部集成于一臺裝備上，且能夠很好地完成臨時支護功能，同時在實現快速掘進工藝時還需充分考慮截割方式與地質條件的匹配性，確保針對不同地質條件或遇構造斷層時也能順利截割。從截割角度而言，橫軸一體式滾筒無疑是最快形式，但遇條件變化存在截割困難、故障率高的問題，因此，在護盾式掘錨一體化裝備研發中，可以考慮將滾筒施工的結構形式從整體式調整為分段式，改善滾筒截齒的布置方式，針對巖巷、半煤巖巷施工調整滾筒整體結構，從而保證整個掘進過程的連續性、高效性，整套護盾一體化裝備在施工、操作及功能性等方面還需朝著智能化的目標進行技術攻關，逐步將掘進作業與綜采作業一樣形成一整套較完善的系統性裝備，整體提升掘進作業水平。

3 結語

煤礦快速掘進工藝是一項系統工程，快速掘進工藝技術的研究也必須圍繞整個掘進系統進行相關技術及裝備的研發。從目前而言，掘進過程中的每一個環節都或多或少會對掘進效率帶來影響，掘支平行工藝的推行是需要綜合考慮所有工序，包括巷道的粉塵處理，快速截割及自動化截割，錨桿錨索施工中的上網、換鉆桿、加錨固劑、緊固等環節的自動化技術突破，巷道運輸環節的流暢等，因此，在煤礦快速掘進工藝研究中，需要整合多方資源，融合國內外精尖技術，從實地、井下一線的切實需求著手，逐項突破，逐步推進，通過持續不斷的創新為煤礦快速掘進的實現找到一套系統性的解決方案。