掘錨交叉綜掘工藝工業性試驗研究

王晨升，　蘇芳

(大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同　037003)

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掘錨交叉綜掘工藝工業性試驗研究

王晨升，蘇芳

(大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同037003)

針對傳統巷道掘進工藝存在掘進快、支護慢的難題，塔山煤礦引進了錨桿鉆車，開發了掘錨交叉綜掘工藝，并對其進行了工業性試驗研究。通過對工藝實施過程相關參數進行監測，得出結論：巷道開挖支護60d后，左右圍巖日收斂速率小于0.1mm/d，說明巷道收斂已經趨于穩定，最大錨桿受力為206kN，最大錨索受力為305kN，均在安全范圍，錨固力大為提高，離層得到有效控制。該工藝實現了減員10%，支護效率提高41%，掘進工效提高33.3%，可以推廣應用。

掘錨交叉； 綜掘工藝； 錨桿鉆車； 支護； 礦壓觀測

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1013.010.html

0　引言

中國大部分煤礦以井工開采為主，掘進、支護工程量較大，巷道開拓主要采用綜合機械化掘進機與手持式單體錨桿鉆機相配套，施工速度緩慢，存在掘進快、支護慢的問題，采掘接續緊張[1-3]。因此，實現錨桿支護的快速施工是提高煤礦成巷速度的有效措施[4-6]。

塔山煤礦是一個千萬噸級礦井，為盡快投產帶來效益，綜采采區先投入生產，而盤區準備的回采巷道的掘進一直難以跟上，造成了采掘難以正常接替、通風路線長、巷道維護成本高等問題[7]。為此，必須加快接替工作面回采巷道的掘進速度，而掘進速度又在很大程度受支護速度限制，所以，提出掘進與錨桿錨索支護交叉作業的掘錨交叉綜掘工藝[1]，這樣掘進機與錨桿鉆車在掘進工作面快速交叉掘進與支護，可以達到較高的掘進速度和較好的支護效果。為了研究該掘錨交叉綜掘工藝的應用效果，在塔山煤礦2108掘進工作面進行了工業性試驗。

1　試驗巷道的地質條件

為確保工業性試驗的成功，成立了井下試驗小組，負責試驗的記錄工作，將鉆車整機通過副平硐運入2108掘進工作面，然后開始組織試驗。

2108掘進工作面煤層結構復雜，為塊狀及碎塊狀，由暗煤及亮煤組成，半亮型，玻璃光澤。利用厚度為10.85～15.05m，平均厚度為12.72m，煤層傾角為3～5 °。煤層中含有6～8層夾矸，夾矸厚度為1.05～2.7m，平均厚度為1.96m，夾矸單層厚度為0.01～0.55m。夾矸巖性為灰褐色高嶺巖、灰白色高嶺質泥巖、灰黑色炭質泥巖、灰色砂質泥巖、泥巖，局部夾有深灰色粉砂巖。試驗巷道的地質條件說明詳見表1、表2。

表1　2108掘進工作面概況

表2　2108掘進工作面掘進地質條件

2　掘錨交叉綜掘工藝工業性試驗

2.1掘錨交叉綜掘工藝作業過程

掘錨交叉綜掘工藝作業過程如圖1所示。

具體施工工藝：掘進機完成一次割煤循環作業后，后退8m貼幫停放，錨桿鉆車行駛到掘進工作面，錨桿鉆車司機打開鉆臂，支護工在操作平臺上將鋼帶和金屬網鋪設在支架上，再用前探頂起護網并支撐頂板，鉆臂操作工調整鉆臂角度，按“一掘兩支”支護方式從頂到幫依次鉆孔和進行支護作業，每個支護排距為0.9m，完成1.8m支護循環后，降下前探，收回鉆臂，退出工作面[8]。

(a) 掘進機工作示意

(b) 錨桿鉆車打頂幫示意

(c) 錨桿鉆車打側幫示意

2.2巷道礦壓效果測試

通過測試巷道圍巖位移和錨桿受力，可比較全面地了解采用錨桿鉆車進行錨桿支護后的工作狀態。根據圍巖變形特征，對錨桿鉆車鉆臂的扭矩進行及時調整，從而使巷道趨于穩定安全狀態。

2.2.1圍巖表面位移測試結果

觀測方法：采用巷道斷面十字交叉法觀測巷道表面位移，如圖2所示，分別測量同一斷面上巷道兩幫位移量及頂底板位移量。

圖2　頂底板、兩幫位移量測點布置方法

測點布置：在巷道兩幫釘木楔布點，測點距底板1m，頂板巖石無法釘木楔時采用油漆噴點。

首先在巷道工作面處設置一排測點，向巷道后方間隔15m設置一排測點，以后隨巷道的掘進每隔15m設置一排測點，每個巷道內共設置4組觀測點。2108掘進巷道共布置4個測站，測站布置如圖3所示。1號測站布置在距掘進工作面10m處(已掘巷道)，2號測站布置在掘進工作面處，隨著巷道不斷向前推進，每隔15m布置一處測站。

圖3　測站布置

連續對各測點進行了90d的監測，各測站處巷道頂底板和兩幫位移量測試結果如圖4所示。

(a) 1號測站的頂底板與兩幫位移量測試結果

(b) 2號測站的頂底板與兩幫位移量測試結果

(c) 3號測站的頂底板與兩幫位移量測試結果

(d) 4號測站的頂底板與兩幫位移量測試結果

由圖4可以看出，在采用錨桿鉆車進行錨桿錨索永久支護后，在90d觀測期內，巷道頂底板最大位移量為161.3mm，出現在4號測站處；兩幫最大位移量172.4mm，出現在1號測站處。巷道開挖支護后60d左右圍巖變形趨于穩定，圍巖總體收斂量不大。后期的日收斂速率：頂底板平均為0.08mm/d，兩幫平均為0.09mm/d，說明巷道收斂已經趨于穩定，錨桿鉆車支護的穩定性與安全性得到保證。

2.2.2巷道頂板離層測試結果

采用WYJ-1型多點位移計監測巷道頂板離層。

巷道圍巖深部基點位移測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，頂板1m測點的最大位移量為49.3mm，3m測點的最大位移量為37.2mm，5m測點的最大位移量為24.6mm。頂板所形成的錨固體梁1m深處的位移為48mm，3m深處的位移為38mm，5m深處的位移為24mm，在錨固系統所允許的范圍之內，錨固體是穩定的。由此可見，錨桿錨固范圍內的頂板離層值小于錨桿錨固范圍外的頂板離層值，錨桿支護效果良好。測站布置范圍內頂板整體下沉量不大，離層值均小于礦方要求的指標設計值，巷道層位的選擇和支護參數滿足要求，而且錨桿鉆車支護頂板預緊力得到了保證，離層得到有效控制。

圖5　巷道圍巖深部基點位移測試結果

2.2.3錨桿受力監測結果

錨桿受力采用MCS-400型錨桿測力計測量，測量量程為0～400kN(允許過載25%)，測量誤差為±4.0%(F.S.)，工作電壓為DC3.6V。與錨桿一起安設，反映錨桿在不同時期的受力情況。其安設位置在相應的測站附近，觀測頻率同表面位移觀測。幫錨桿、頂板錨桿和頂板錨索分別安置錨桿液壓枕來監測錨桿、錨索受力狀況，共安設6套，安裝錨桿、錨索要施加一定的預緊力。錨桿受力觀測是巷道礦壓觀測的重要內容，通過觀測錨桿軸向力大小，可全面地了解錨桿工作狀況，判斷錨桿是否發生屈服和斷裂，評價巷道圍巖的穩定性與安全性。錨桿(索)受力隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6　錨桿(索)受力隨時間變化曲線

從圖6可以看出，錨桿受力在掘進工作面后方30m左右范圍內增加最快，然后增加趨緩，最大206kN；錨索受力與錨桿類似，最大為305kN，均在安全范圍之內。錨桿受力只代表巷道表面錨桿支護的托錨力，隨著時間的延長，錨桿托錨力逐漸增加，但速率較小，為0.4kN/d。從錨桿受力來看，托錨力的大小與圍巖變形并不十分一致，表明巷道變形穩定后有蠕變傾向。

2.3巷道掘進效果測試

掘錨交叉作業方式指掘進機后配套錨桿鉆車支護的作業線施工方式。傳統綜掘作業方式指掘進機與單體錨桿鉆機配套作業線施工方式。

2.3.1掘錨交叉作業與傳統作業工序內容

掘錨交叉作業的主要工序：交接班、安檢、施工準備→綜掘機割煤、出煤→掘進機后退→鉆車開進→臨時支護→支護頂錨桿和錨索→鋪幫網支護幫錨桿→鉆車收臂退出→掘進機開進→進行新一輪循環掘進和支護。

傳統綜掘作業的主要工序：交接班、安檢、施工準備→綜掘機割煤、出煤→掘進機后撤→敲幫問頂→上前探梁→鋪頂網、加固前探梁臨時支護→搬進錨桿鉆機→接風水管線→打頂部錨桿孔并安裝錨桿→打側幫錨桿孔并安裝錨桿→打錨索孔并安裝錨索→搬出錨桿鉆機→掘進機開進→進行新一輪循環掘進。

2.3.22種作業方式施工效果對比

(1) 用工對比。掘錨交叉作業方式與傳統綜掘作業方式用工對比見表3。

表3　掘錨交叉作業方式與傳統綜掘作業方式用工對比　人

從表3可看出，采用傳統綜掘作業方式，掘進隊一天需要60人，而采用掘錨交叉作業方式，掘進隊一天只需要54人，每天少用工6人，減員10%。

(2) 工效對比。在掘進斷面、凈斷面和煤硬度相同的條件下，掘錨交叉作業方式與傳統綜掘作業方式工效對比見表4。

采用掘錨交叉作業方式時，錨桿鉆車在2108工作面使用期間，支護一根2.5m錨桿用時3min，支護一根8.3m錨索用時10min，完成2排支護用時75min，比傳統綜掘作業方式節省40min，在工人操作不熟練的情況下完成進尺540m，與該隊5208工作面平均進尺378m相比，效率提高42.8%。

表4　掘錨交叉作業方式與傳統綜掘作業方式工效對比

由表4可知，采用傳統綜掘作業方式，掘進隊掘進工效為0.21m/工，而采用掘錨交叉作業方式，掘進隊的掘進工效為0.31m/工，掘進工效提高了33.3%。

(3) 安全性對比。使用傳統單臂錨桿鉆機，開始支護和鋪網時人員都在空頂下作業，很容易發生頂板傷人事故，而錨桿鉆車操作人員站在鉆車平臺上，利用鉆車超前支架將網和鋼帶托起，支護時操作人員在上一循環永久支護下作業，徹底杜絕了空頂作業。

使用傳統單臂錨桿鉆機時，工作面人員集中，巷道幫支護只能滯后，片幫增大，巷道成型差，工人面對煤壁作業隨時會發生危險。使用錨桿鉆車支護時，工作面人員少，能夠實現幫錨桿及時支護到工作面，并且工人在遠離煤壁1.5m的位置，通過操作錨桿車手臂完成，杜絕了片幫傷人，保證了巷道成型。

單臂錨桿鉆機扭矩小，錨桿緊固力一次不能達到設計的200N·m，工作面空間狹小，往往在下一個循環作業時再由人工二次緊固。使用錨桿鉆車后，通過調整液壓參數設定壓力，能一次達到設計預緊力，2種支護手段工程質量對比見表5。

表5　2種支護手段工程質量對比

塔山煤礦由于煤質疏松、結構復雜、成幫部成型差，幫錨桿安裝完全依靠人工操作，鋼護板與煤壁不能緊密貼合，造成在錨桿緊固時錨桿螺扣外露長，甚至無扣，既不符合標準，又達不到預緊要求， 而錨桿鉆車鉆孔、安裝錨桿，緊固、卸帽、預緊完全依靠設備完成，通過鉆臂液壓油缸使鋼護板緊貼煤壁，徹底解決了錨桿外露長和預緊力不夠的弊端，同時有效地控制了鉆孔深度和錨桿的排間距，從而提高了安裝質量。

單臂錨桿鉆機對錨桿初次預緊完全是通過人與鉆機反作用力完成，操作時鉆柄極易傷人。錨桿鉆車在使用中，只需操作液壓閥，安全、簡單、快捷。單臂錨桿鉆機在使用過程中，工人來回抬鉆，勞動負荷極大，頂部的鋼梁固定、金屬網鋪設、錨桿的預緊都大大增加了勞動強度。上述工序在錨桿鉆車使用中則不存在，鋼帶固定、金屬網鋪設都由鉆車的前探支護完成。

(4) 開機率對比。利用錨桿鉆車支護掘進機退后，可以保證機組檢修時間，保證了機組完好，大大提高了開機率。

(5) 管理方式對比。采用傳統綜掘作業方式時，掘進機每割1刀便要退出，然后搬進錨桿鉆機，開始永久支護。這種作業方式的主要弊端是掘進機頻繁地開進退出，錨桿鉆機依靠人工頻繁搬動，由于工序頻繁轉換，管理難度和工人勞動強度大，工時利用率低，空頂時間較長，對安全十分不利。而采用掘錨交叉作業方式就克服了上述缺陷，錨桿鉆車臨時支護裝置能夠有效實現對掘進工作面前方空頂破碎區的及時支護，同時僅需2人就可以操作鉆車，2個鉆臂同時鉆錨桿錨索眼，避免了工序的頻繁交接，管理簡單，減小了空頂時間，對頂板的合理維護十分有利。

3　結語

針對傳統巷道掘進工藝存在掘進快、支護慢的難題，塔山煤礦引進了錨桿鉆車，開發了掘錨交叉綜掘工藝。通過對錨桿鉆車支護過的巷道進行礦壓觀測可得知，在采用錨桿鉆車進行錨桿錨索永久支護后，在觀測期內，巷道頂底板最大位移量為161.3mm，兩幫最大位移量為172.4mm。巷道開挖支護后60d左右，圍巖變形趨于穩定，日收斂速率小于0.1mm/d，說明巷道收斂已經趨于穩定，錨桿鉆車支護的穩定性與安全性得到保證。頂板整體下沉量不大，離層值均小于礦方要求的指標設計值，錨桿鉆車支護頂板預緊力得到了保證，錨固力大為提高，離層得到有效控制。

相對于傳統巷道掘進工藝，掘錨交叉綜掘工藝在安全、效率、作業環境方面都有很多優點。在頂板情況不太理想的塔山煤礦，巷道掘進作業過程中減員10%，支護效率提高了41%，掘進工效提高了33.3%，安全性得到保證，實現了杜絕空頂、支護到位、及時預緊、操作方便、減少隱患、減人提效、降低勞動強度、改善作業環境、提高開機率等目標。

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Study on industrial test of fully mechanized fast excavation technology ofalternatingwithadvancingorbolting

WANG Chensheng，SU Fang

(SchoolofCoalEngineering,DatongUniversity,Datong037003,China)

Inviewofproblemsoffastexcavationandslowsupportingintraditionalroadwayexcavationtechnology,anchordrillrigwasintroducedinTashanCoalMine,fullymechanizedfastexcavationtechnologyofalternatingwithadvancingorboltingwasdeveloped,andindustrialtestofthetechnologywasstudied.Throughmonitoringrelatedparametersintechniqueimplementationprocess,thefollowingconclusionswasobtained:convergencerateofaroundsurroundingrockislessthan0.1mm/dafterroadwayexcavationsupport60d,explainsthatroadwayconvergenceisstabile,themaximumrockboltstressis206kN,anchorcableforceis305kN,allareintherangeofsecurity.Theconclusionshowsthatthetechnologycangreatlyimproveanchoringforceandcontrolabscissionlayer.Thetechnologyachieves10%attrition,improve41%supportefficiencyand33.3%drivageefficiency,whichcanbepopularizedandapplied.

alternatingwithadvancingorbolting;fullymechanizedfastexcavationtechnology;anchordrillrig;support;minepressureobservation

1671-251X(2016)09-0043-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.010

2016-03-24；

2016-05-18；責任編輯：張強。

同煤集團項目基金資助項目(HTGJZB-TM150510)。

王晨升(1985-)，男，山西大同人，講師，碩士，現主要從事礦山機械方面的研究工作，E-mail:15835218961@163.com。

TD263

A網絡出版時間：2016-09-02 10:13

王晨升，蘇芳.掘錨交叉綜掘工藝工業性試驗研究[J].工礦自動化，2016,42(9)：43-47.