全斷面矩形掘進機快速過斷層方案研究

李劍波

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部晉圣潤東煤業有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

目前，煤礦開采作業中大多采用懸臂式掘進機，該類型的掘進機是采用斷面形工作方式，在巷道進行作業時會使得煤礦生產受到限制。在近幾年的研究中，設計了適用于煤礦矩形巷道的掘進機，該設備的研發為煤礦進行開采帶來了很多的優勢。

其中，傳統的盾構圓形刀盤是無法進行矩形截割斷面，需使用組合刀盤來進行，這樣才能夠形成矩形斷面。目前廣泛采用的矩形掘進機的組合刀盤是通過4 個小刀盤和1 個大刀盤組合而成，能夠完成一次全斷面截割。

1 全斷面矩形快速掘進機結構概況

由我國設計的全斷面矩形快速掘進機，作為一種新式的全斷面型的作業設備，該設備的工作斷面參數為5.8 m×3.8 m，整個設備外形長×寬×高為5.8 m×3.8 m×17.2 m，總質量能夠達到320 t，如圖1 所示為整臺設備的結構圖。通過對掘進機進行研究發現，整臺設備的能夠分為前后兩部分，其中前面部分稱之為截割部，后面部分稱之為支撐平臺，前后兩部分之間是采用主梁和主推油缸構成聯系，前半部分主要的作用是進行截割裝載，后半部分的主要作用是提供反力的作用，也能夠對工作方向進行控制，推拉油缸負責設備進行掘進作業。

圖1 全斷面矩形快速掘進機結構圖

2 矩形巷道成巷原理

該設備的截割系統是在具有封閉性的外殼上進行構建的，如圖2 所示，共裝配的刀盤有5 個。共分為1 個大刀盤和4 個小刀盤，大刀盤的位置在4 個小刀盤位置的前面，布置方式具有層次性，由于小刀盤在截割處的形狀呈矩形，所以在進行作業后的斷面也是為矩形形狀，在巷道中有減速器、殼體、電機、傳動箱等構成截割部。進行作業的方式是通過5 個刀盤銑削和盲區鏟齒作業協同下形成的斷面[1]。

圖2 全斷面矩形快速掘進機截割系統布置圖

3 斷層分析及全斷面掘進機過斷層的問題

通過對斷層的分析可知，斷層是將巖層進行斷開后并產生滑動后形成的。通過對傾角、傾向、走向的判斷來去確定斷層面。斷層可以分為平移斷層、逆斷層和正斷層。通過對巖石的硬度進行考慮，又能夠將斷層分為韌性和脆性斷層。其中正斷層是指上盤從下盤的角度來講具有向下的滑動位移。

通過在某礦22524 運順采用該設備進行作業試驗。初步決定在巷道作業至580 m 的深度處對F54 進行探測。當掘進的過程中到達斷層位置處時，應該通過定向鉆探設備進行對斷層的探測。

F54 斷層也可以稱之為正斷層，順槽方向進行作業，從斷層的上盤作業到下盤，通過對現場已有的觀測數據來看，22524 運順巷當進行作業處距離大巷720.4 m 的位置處就會揭露F54 斷層。

通過采用傳統的連續采煤機和掘錨機過斷層，根據對實際工作的情況來分析，一般情況下都可以滿足通過的要求。全斷面矩形掘進設備在煤礦中的應用是由最近幾年研發的新設備，因為在工作的過程中和傳統的設備工作方式有差別，所以考慮到截割原理的差異性，在實際工作的過程中會出現各種現象，應該對出現的問題進行針對性分析并且提出相應的解決方案，從而能夠避免在通過斷層時遇到困難。

4 全斷面矩形快速掘進機過斷層方案

在進行掘進作業的過程中，要堅持先探測后進行掘進的方案來進行。當掘進的位置到達斷層228 m 位置時，應該采用定向鉆機對其探測，從而能夠達到對斷層的相關位置信息進行探測。

為了能夠確保在后續底板泥化中所產生的一些相關性維護現象，根據相關要求進行留設底煤，通過在22524 運順斷層探測相關情況來看，采用上下盤對截巖方式，通過對調坡距離等的相關參數調整，確保在進行作業過程中坡度達到最優狀態。

在掘進過程中，需留設底煤0.5 m，在離37 m 處的斷層處進行調坡掘進作業，在剛開始的15 m 處通常采用1.5°～4.5°進行作業，在每進行5 m 對坡度進行增加1°；在作業進行到15～18 m 處時按照4.5°～5°進行；當掘進18～42 m 處時，應該采用5°進行過斷層，當到達42.3 m 處時進入下盤的位置處。然后，采用每進行5 m 就下降1°，最終當底煤處于正常的范圍內時，結束工作[2]。

地測站通過參考設計時的位置以及設計角度等相關參數來進行防腰線，腰線的位置位于頂板1 m處。當頂煤的高度在500 mm 以下時，經過過斷層應該采用錨桿、幫錨、短掘短支等實施支護，全斷面矩形設備幫網滯后的長度應該不能高于5 m 左右。

斷層位置補強支護圖，如圖3 所示。在進行巷道上坡作業時，當頂煤不高于500 mm 時，在這種情況下，頂板通過使用W 鋼帶+柔性網+螺紋鋼錨桿+錨索采取支護措施，每排布置5 根頂錨桿，且保持每排的距離為1 m；在正幫處使用錨桿為玻璃鋼型，必須要滿足扭矩不能低于40 N·m 的要求。副幫采用的錨桿為圓鋼型，具體布置情況如圖3 所示。錨索選用的參數為Φ17.8 mm×8 000 mm，每排布置3 根且需要增加1 條W 鋼帶，保持每排的距離為2 m、2 m；當出現頂板冒落的現象時，需要將錨索的排距進行減小處理，具體設置為1～1.5 m 的范圍內。

圖3 斷層位置補強支護圖（單位：mm）

通過對周邊地質條件進行分析研究，且考慮矩形快速掘進機的作用進行針對性的設計方案，提出了相對應的措施。

1）當掘進進機載錨桿的位置處于工作面的4.7～5.7 m 時，由于空頂距比較大，確保頂板不會出現大面積的冒落現象，在揭露斷層時應該進行對斷層處增加高分子材料，增加頂板的穩定性。因為高分子材料只能夠在離鉆孔1.5 m 處的范圍內有效，根據相關理論計算，單臂錨桿機鉆孔深度為8 m 時，當角度往上20°，能夠有效地覆蓋整個頂板。然后通過柱塞泵的作用，進行高分子材料的添加，等到一段時間凝固以后再進行掘進，增加作業的過程穩定性。

2）對截割硬度和截齒消耗的現象進行分析，通過矩形掘進機器接收到的電流信號來對掘進速度進行調整，出現截割電流較大時設備自動停止操作，從而達到智能化設備，保證設備能夠安全可靠運行；在過斷層過程中會出現截齒損耗大的現象，員工在進行接班的時候要對截齒進行檢查，從而能夠有效地保證充足的截齒備件進行補充替換。在對截齒進行更換時應該將機器退到有支護的范圍內，錨索支護采用隱形鎖具。

3）全斷面矩形掘進設備在進行截割時采用銑削，由于截齒和煤層接觸造成了截齒出現溫度高的現象。在過斷層時，對巖石進行截割過程中應該使用噴霧，再加上頂部注水進行沖洗，有效地減緩了截齒的損耗，減小了對截齒更換的次數。

4）當出現硬質巖石的情況時，此時截割電流大，通常使用脈沖瞬間沖擊的方式進行作業，能夠對比較硬的巖石進行突破。掘進設備采用間歇的方式進行，能夠有效地防止截齒溫度出現過高的現象，然后進行快速截割，當在較短的時間內對硬質巖石進行沖擊，能夠起到巖石瞬間崩落的現象。

5 結論

1）全斷面矩形快速掘進設備在工作過程中的方式具有獨特性，從而滿足在銑削時均勻性的要求，對底層產生的負面影響比較小，從而有效地保證了過斷層期間的安全可靠性；

2）采用全斷面矩形掘進設備進行作業后的巷道效果比較顯著。采用的是全斷面封閉截割的方式進行作業，并裝有通風設備，在作業時通風良好；

3）掘進設備控制系統在整個過程中存儲了5 個刀盤的截割電流，為了能夠對斷層的巖石硬度等的截割特性進行研究；

4）在過斷層時，通過對巖石厚度等相關參數進行分析來調整角度，達到了截割巖石的效果。

通過對全斷面矩形掘進設備進行工作試驗研究后，為巷道掘進過斷層提供了有效的經驗，也大大提升了巷道施工的質量，為未來煤礦巷道掘進提供了參考方向。

（編輯：王慧芳）