快速掘進裝備九臂掘錨一體機的研究與應用

劉 偉

（晉能控股煤業集團機電管理分公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤礦綜采效率的提升，造成了采掘平衡的失調，使得巷道掘進速度成為煤礦高效生產的關鍵性環節。據統計，巷道掘進作業中的支護時間要占總作業時間的70%。為進一步提高掘進效率，對現有掘錨一體機裝備的升級改造、創新勢在必行。在應用EJM2×170六臂掘錨一體機的實踐經驗基礎上，解決錨桿機位置固定、對孔困難、不能進行探放水作業等問題，克服頂板破碎、片幫嚴重等矛盾，開發適應集團公司石炭系復雜地質條件九臂掘錨一體機，每循環工序減少1/2，對比改造前掘進效率提升1.5 倍，實現了裝備水平的突破[1]。

1 工程概況

某礦井主采石炭系3～5 號煤層合并層，厚度為8.36～29.21 m，平均厚度17.52 m，煤層原始瓦斯含量為1.558～3.232 m3/t，瓦斯壓力為0.090～0.245 MPa，透氣性系數為1.108×10-4～1.328×10-4m2/（MPa2·d）。礦井相對瓦斯涌出量2.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量71.3～115.27 m3/min。

九臂掘錨一體機在一盤區回風巷試驗使用，煤層厚度12～14 m，平均厚度13 m，含2～5 層夾矸。沿地板掘進，巷道斷面尺寸為6.24 m×4.32 m，斷面積為27 m2，運輸順槽設計長度為1835 m。為加快巷道掘進速度、減少支護及輔助作業時間，采用該機進行巷道掘進作業。

2 掘錨一體機適應分析及改進內容

2.1 掘錨一體機適應性分析

通過集團公司應用及查閱資料發現，掘錨一體機在我國許多地質條件較好的礦區應用廣泛，取得了突出成績，在復雜地質的礦區未取得突破性的研究成果，使得其可以被廣泛推廣。本次試驗巷道為石炭系復雜地質大斷面煤巷掘進，圍巖巖性軟、頂板壓力大，易漏頂片幫。在實際應用時，需針對礦井實際條件，對掘錨一體機進行優化改造[2]。

2.2 掘錨一體機改進

九臂掘錨一體機主要對錨固系統、截割與鏟運方面進行改造，增加超前探裝置、側支撐等裝置，如圖1所示。

圖1 九臂掘錨一體機結構

2.2.1 錨固系統

錨桿機群的布置采用三排4-3-2 方式：具有操作平臺，增大作業空間；每臺單獨控制，一機多孔；多臺錨桿鉆機可同時作業，以減少支護時間[3]。

2.2.1.1 首排錨桿鉆機

1）首排為4 臺，采用左二右二對稱布置方式，4臺錨桿鉆機都具備前后擺動與左右擺動的功能，前擺滿足頂板破碎情況的及時支護，減小空頂距。外側錨桿鉆機能夠左右平移完成不同排距的錨桿錨固，滿足垂直錨固要求。內側的錨桿鉆機具有上下滑動、180°旋轉功能，既能夠錨固頂板的錨桿與錨索，也能滿足錨固側幫的錨桿與角錨桿，做到及時支護，縮小空幫距，避免片幫的產生。第一排打頂和側幫未滑移及滑移后示意圖，如圖2 所示。

圖2 第一排打頂和側幫未滑移及滑移后示意圖（單位：mm）

2）4 臺錨桿鉆機差動使用，其中兩臺支護頂板完成錨網、鋼帶拖起，其余兩臺進行錨固，降低工人的勞動強度。

2.2.1.2 第二排錨桿鉆機

1）次排錨桿鉆機布置3 臺，左右各1 臺，中間1 臺。中間錨桿鉆機具備補打中間錨桿、錨固錨索功能，解決了改造前人工補打中間錨桿、錨索問題。左右布置2 臺錨桿鉆機的具備旋轉功能，通過旋轉實現錨固頂板、側幫；具有前后160 mm 調整間距，控制錨桿方便快速鋼帶對孔、找正；具備上下滑移功能，調整錨固側幫錨固距離，保證錨固的錨桿與巷道側幫垂直，保證最大的支護力。第二排打頂和側幫示意圖，如圖3所示。

圖3 第二排打頂和側幫示意圖（單位：mm）

2）巷道條件良好可以同時與首排錨固頂板與側幫，地質條件復雜可以同時與首排錨固側幫，間接地實現平行作業、及時錨固，減少片幫現象的發生。

2.2.1.3 第三排錨桿鉆機

1）第三排錨桿鉆機布置2 臺，左右各1 臺錨固底部側幫錨桿。具備旋轉功能，工作時旋轉到指定位置進行錨固，截割與往前方運送物料時豎直收起，保證人行通道的通過距離。第三排打側幫示意圖，如圖4所示。

圖4 最后排打側幫示意圖（單位：mm）

2）改造前不具備側幫底部機械錨固的功能，都是人工補打，改造后提高了設備的機械化水平，降低了勞動強度。

2.2.2 改進原有截割與鏟運技術

1）適當增截齒，采用硬巖截齒，增強破巖能力。

2）采用現有截割技術，左右伸縮300 mm，便于退機。

3）鏟板采用升降形式，便于清理浮煤。

4）擋煤板加固與加裝擋煤塊，減少浮煤。

2.2.3 增加超前探裝置

1）在截割臂上增加探水鉆，滿足一次探100 m 的要求。

2）能夠左右旋轉，利用刻度盤進行調整，滿足前探要求。

2.2.4 增加側支撐

1）左右履帶前后設置支撐裝置，能夠調整設備的左右姿態。

2）遇到復雜地質條件，通過提升履帶的高度，從而鋪設防滑物，達到設備脫離沉陷的目的。

3 九臂掘錨一體機創新點

1）優化支護鉆機：新增3 臺支護鉆機，1 臺專打頂中眼、2 臺專打幫底桿，9 臺鉆機底部增加滑座，可左右、前后平移，實現快速對孔；第一排鉆機還能向前傾斜45°，對頂板進行臨時支護。鉆機增加升降和旋轉機構，實現大范圍、多角度作業，可支護頂、幫和組合錨索。多臺鉆機可實現平行作業，鉆機最大輸出扭矩可達400 N·m，錨桿可一次性預緊達標，無須人工二次緊固，縮短支護時間，減輕勞動強度，提高支護效率。

2）滿足探水要求：在掘錨機截割臂上增加機載探水鉆機，采用大功率液壓馬達作為動力，實現就地探水作業，擺脫了單一獨立探水設備搬運與拆裝煩瑣問題，操作者可通過上下調整截割臂和鉆機水平角度，實現全方位探水，滿足“有掘必探”要求，降低工人勞動強度，提高鉆探效率。

3）全面優化升級，安全穩定運行：機組一運采用了調速變頻器，提升運載性能，解決運輸不平衡問題；增加掘錨機調平支撐，解決機身側傾問題；操作臺局部優化，操作、檢修更加便捷；加高電控箱臺，避免電控箱進水損壞；增加壓風供水自救平臺，提高安全保障；增加區域照明，工作環境更明亮更安全。

4 掘錨機應用效果分析

4.1 掘進效率總結

該掘進工作面于12 月2 日安裝一盤區回風巷60 m 位置，使用九臂掘錨一體機進行掘進，跨年3 月11 日正式掘進完成，巷道施工工期為98 d。

巷道掘進效率總結如下：巷道掘進進尺由12 月的10.8 m/d 增加到19.8 m/d，平均進尺可達15.4 m/d；地質條件復雜條件下，統計一個循環的時間為140 min，進尺兩排1.8 m，每日進尺16～17 排，月進尺能夠達到460 m；巷道地質條件穩定時，統計一個循環的時間為70 min，進尺兩排1.8 m，每日進尺34～35 排，月進尺能夠達到600 m；1 月隨著巷道地質條件穩定及作業人員對設備熟悉程度的提高，掘進效率提升顯著，完成掘進560 m；2 月平均進尺21.6 m/d，最高進尺23 m/d，月進尺604 m，掘進效率顯著，九臂掘錨一體機的應用效果較好。

4.2 掘錨機經濟效益

通過九臂掘錨一體機在試驗巷道的試用，結合普通綜掘機巷道掘進工藝人員費用成本，對該機成本分析如下：掘進效率提升1.5 倍，按照單價8000 元/m、年進尺提高2000 m 計算，每年能夠創造經濟價值1600 萬元；每班作業人數減少4 人，按照人均年工資15 萬元計算，節約成本60 萬元/年；掘進機維護費用降低20%，目前掘進機設備維護費用約300 萬元/年，節約成本60 萬元/年。九臂掘錨一體機快速掘進裝備每年可創造經濟效益1720 萬元，取得了良好的經濟效益。

5 結語

以石炭系復雜地質條件煤礦應用掘錨一體機進行巷道掘進作業為研究背景，研究了九臂掘錨一體機的適應性和應用效果，主要結論如下：為適應復雜地質條件，對掘錨機的液壓錨桿組群布置方式、截割鏟運技術進行了改進，增加了探側支撐及超前探裝置。通過掘進效率總結和經濟效益分析，能夠實現截割、支護、錨桿安裝同步運行、平行作業，還可降低掘進費用以及不斷提高安全程度和改善勞動條件，確定了九臂掘錨一體機在巷道掘進中的顯著應用效果。