快速掘錨成套裝備設計及應用研究

司大為

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團鮑店煤礦位于山東省鄒城市境內，核定年生產能力600 萬t。井田分為兩個水平，現生產-430 m 水平，主采3 層煤（3上、3下），礦井采用帶式輸送機主運輸，軌道輔助運輸。7302 綜放工作面長2132 m、寬287 m，為全省智能化綜放采煤工作面，7302 主運巷采用矩形斷面，斷面尺寸為6.5 m（寬）×4.55 m（高），煤層硬度f=4，煤層密度1.28～1.30 t/m3。為有效提高煤巷掘進效率，緩解該煤礦的采掘失衡問題，針對鮑店煤礦特殊的地質條件，以7302 主運巷為研究對象，進行了快速掘錨成套裝備設計及實踐應用研究[1-2]。

2 快速掘錨成套裝備及工藝方案設計

針對7302 主運巷特殊地質條件，選用快速掘錨成套裝備，其總體結構如圖1。該快速掘錨成套裝備由掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車組成，采用履帶式行走機構，具備伸縮滾筒上下截割、油缸推進、步進掘進，以及全斷面、多工位錨桿（錨索）機械化支護等功能。同時，設備自帶安全監測和數據交互系統，并在掘錨一體機上引用數字導向和泡沫除塵技術，其整體技術性能達到國際先進水平。

圖1 快速掘錨成套裝備總體結構示意圖

2.1 掘錨同步設計

快速掘錨成套裝備采用掘錨一體機掘進+部分錨桿支護作業，煤礦用液壓錨桿鉆車完成剩余錨桿、錨索支護作業的施工工藝。掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車均具有自帶動力和獨立行走功能，可實現煤巷工作面的連續切割掘進、及時支護和物料的連續運輸，能夠真正實現掘錨同步。

其具體實現方法是：掘錨一體機前部截割裝置通過截割大臂的上下舉升和前后滑移實現煤巷工作面的全斷面掘進；截割裝置后端緊跟2 臺頂錨桿鉆機和2 臺幫錨桿鉆機，截割掘進的同時，同步進行支護作業，及時確保煤巷圍巖的穩定性；煤礦用液壓錨桿鉆車配有3 臺頂錨桿（錨索）機和2 臺幫錨桿機，用于補打頂錨桿、頂錨索和幫錨桿，達到掘錨同步目的。掘進過程中，掘錨一體機上方設置的升降式護盾可臨時穩定支撐掘進工作面的煤巷頂板，確保操作人員的安全。該設計理念主要目的是優化單個循環的掘進時間和支護時間，在保證連續作業安全可靠的前提下，實現圈蓋和支護協調作業，其優點在于：

（1）對煤巷圍巖的擾動小，單個循環掘進作業時設備原地不動，無須住返行走，不會對底板造成二次破壞。

（2）掘進與錨桿支護同步進行，互不干涉，減少了輔助作業時間，煤巷頂板和兩幫得到及時支護，從而保證煤巷安全、高效連續掘進。

（3）升降式護盾能夠減少空頂距，有效支撐未支護頂板，確保操作人員處在安全的工作環境下作業。

2.2 一次成巷設計

截割裝置采用可伸縮式大功率、低轉速截割滾筒結構，可掘巷道寬度范圍為5.8～6.5 m，高度范圍為3.6～4.75 m，成型截面為矩形，巷道斷面一次成型。一次成巷的原理是：單個掘進循環周期內，掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車底盤處于制動狀態，截割電機提供動力，通過截割減速機變矩后帶動截割滾筒轉動切割煤層，截割大臂俯仰實現截割面上下截割，掏槽油缸前后推進實現掘進步進，單次最大進刀1 m，煤巷全斷面一次截割成型，擾動小，成型質量高。截割滾筒寬度與巷道設計寬度相匹配，不同的巷道寬度可通過更換截割滾筒伸縮部實現，截腳大臂內置的旋轉編碼器可根據現場情況實時設定截割高度，實現煤巷高度方向上的智能截割。

2.3 數字導向設計

快速掘錨成套設備在煤巷掘進過程中不可避免地會出現俯仰、橫滾和航向3 個維度上的偏差，以致偏離預定軌跡。以慣導技術與傳感器測量結合的數字化陀螺儀慣導技術，打破了傳統間斷式測量方式，在掘進過程中通過構建掘錨一體機狀態的三維坐標模型，感知掘錨一體機自身狀態，來實現掘錨一體機的自動定位、糾偏、遠程遙控和自動監測功能。

數字導向系統主要結構包括慣性光纖陀螺儀、RMSD 自動導向系統軟件、無線通信控制盒和工業平板電腦等。其導向原理是：慣性光纖陀螺儀獲取車身三維偏移量和絕對三維坐標數據（借助全站儀的初始對準）后導入控制系統內，作為里程推進輸人量來控制實際推進軌跡和理想巷道軸線的偏移量，保證巷道掘進進度在設計允許的范圍閾值內。

數字化陀螺儀慣導技術可精確控制巷道中線偏移量，偏差精度≤5 cm。其特點及優勢是：（1）核心慣性測量單元測量精度和穩定性的提高，從本質上提高了系統性能，在無人工修正的情況下可實現200 m 內連續精度保持。（2）能夠自主給出自動導向所需的全部高精度信息，包括設備實時姿態和航向，以及巷道坐標系內的三維平移數據。（3）通過耦合傳感器數據，自動修正和補償履帶打滑空轉引起的干擾誤差。（4）可視化人機交互，操作方式簡單，使用門檻低。（5）光學測量輔助校準，進一步提高巷道整體的導向精度。

2.4 泡沫除塵設計

煤巷掘進工作面粉塵主要來自兩個方面，一是截割滾筒上的截齒對煤巖壓碎和摩擦產生的粉塵，二是煤巖掉落過程中與機械零件和地面碰撞產生的粉塵。與傳統的除塵技術相比，泡沫除塵效果更佳。

為改善掘進工作面的工作環境，快速掘錨成套設備定制化研制了高倍數（80～120 倍）泡沫除塵系統。泡沫除塵的工作機理是：發泡劑在泡沫發生器內受氣壓和水壓作用產生泡沫后，通過管路輸送到截割裝置的專用噴頭處，對掘進工作面連續噴灑泡沫降塵。

2.5 安全監測設計

相比于露天煤礦，井工煤礦巷道環境更加惡劣，掘進過程中巷道圍巖的工程結構受力、地層壓力、有毒有害氣體等參數都在不斷變化，任何參數值達到極限時，就會產生或大或小的災害。據統計分析，大多數煤礦安全事故中，除誘發因素外，安全監測設備與預警技術的落后和不完善也是引發安全事故的重要原因。

快速掘錨成套裝備配備了一套數字化、智能化、自動化的有害氣體監測預警系統。粉塵濃度檢測儀、甲烷檢測儀、一氧化碳傳感器及紅外二氧化碳傳感器等多種傳感器可對主要的有害氣體進行實時連續監測和采集，并傳輸給設備主控制系統，通過井下數字化信息平臺與調度室聯網，實現數據實時顯示、分析、報警和主動制動，以及危險實時預報、排查和處理，并按照《煤礦安全規程》要求，實行“三專兩閉鎖”，保證作業人員的安全。經驗證，氣體傳感器的穩定性好，抗干擾能力強，監測誤差小，報警準確，預測與生產互不干擾，為在安全可靠的生產條件下提高生產效率提供了有力保障。其相關特性見表1。

表1 氣體傳感器特性

3 效果分析

快速掘錨成套裝備及工藝在鮑店煤礦7302 主運巷的應用中取得了顯著效果。支護方式采用6 根頂錨桿、根幫錨桿和2 根錨索，該套快速掘錨裝備在主運巷累計完成進尺5813 m，最高日進尺92 m，最高月進尺2020 m。該套設備大幅提高了煤巷掘進效率，降低了工人勞動強度，實現了煤巷作業的安全、可靠和高效。

泡沫除塵系統啟動之前，回風巷的全塵平均濃度為320.18 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度為112.64 mg/m3；系統啟動之后，全塵和呼吸性粉塵平均濃度分別降至74.48 mg/m3和18.88 mg/m3，除塵效率分別達到76.74%和83.24%，降塵效果理想。

4 結語

以鮑店煤礦7302 主運巷為對象，進行了快速掘錨成套裝備設計及應用研究，實踐效果理想。全塵和呼吸性粉塵除塵效率分別達到76.74%、83.24%，最大日進尺達92 m，最高月進尺達2020 m，大幅度提高了煤巷掘進效率，為同類型煤礦的快速掘進提供實例參考。