煤礦快速掘進機械設備配套優(yōu)化研究

劉曉強

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

巷道的掘進效率在一定程度上決定綜采工作面的開采效率，掘進工作面受掘進設備、掘進工藝、支護效果以及相關配套機械設備等因素的影響。不同煤礦的地質、水文以及巖層等情況不同，實現其快速掘進所采用的工藝、支護措施以及相關配套機械設備的性能各不相同[1]。本文以某煤礦為例，針對其工作面實現快速掘進工藝、支護措施以及配套機械設備進行研究。

1 工程概述

某煤礦目前可供開采的煤層包括有3 號、4 號、13 號、15 號煤層，總開采面積為12 km2，該煤礦的設計生產能力為120 t/a。某煤礦開采煤層的平均厚度為5.9 m，不穩(wěn)定煤層所占比例較多。本文著重對某煤礦15 號煤層工作面進行研究，該工作面煤層厚度為4.25 m，屬于穩(wěn)定煤層。15 號煤層工作面瓦斯的絕對涌出量為4.55 m3/min。15 號煤層的頂底板情況如表1 所示。

經分析探測結果及實測數據可知，15 號煤層工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水量為31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統(tǒng)的最大排水能力為45 m3/h。

2 實現工作面快速掘進的關鍵措施

巷道的掘進屬于工作面開采的關鍵環(huán)節(jié)，目前工作面可采用綜合機械化掘進和巖巷鉆爆法完成掘進任務。經研究可知，影響工作面快速掘進的主要因素包括有鑿巖效率、支護效果以及刮板卡鏈等。其中，鑿巖效率影響快速掘進的影響因子為0.328，支護效果影響快速掘進的影響因子為0.237，刮板鏈等事故影響快速掘進的影響因子為0.179[2]。

表1 15 號煤層頂底板情況

2.1 巷道支護措施

巖層掘進的支護問題比綜采工作面的支護相較更復雜，根據15 號煤層的頂底板情況，結合巖巷支護經驗。15 號煤層工作面采用錨桿錨索聯(lián)合支護的方式，具體支護參數為：錨桿直徑為18 mm，錨桿長度為1.8 m，錨桿預緊力為60 kN；錨索直徑為18 mm，錨索長度為6 m，錨索預緊力為120 kN。

為驗證初確定錨桿錨索聯(lián)合支護對巖巷圍巖控制效果，本文基于FLAC3D 軟件建立15 號煤層工作面的模型，并將支護參數設置于模型中對最初支護參數的圍巖控制效果進行仿真分析。經仿真分析可知：當掘進工作面推進3 m 時，巖巷變形主要集中于肩部0.25 m 和右?guī)?.2 m 的位置；當掘進工作面推進6 m 時，巖巷變形主要集中在左肩0.23 m 的位置；當掘進工作面推進至9 m 時，巖巷變形同樣集中在左肩0.23 m 的位置。因此，隨著掘進工作面的推進，巖巷的主要變形位置集中于左肩位置處。故，需對巖巷左肩位置進行重點支護。

結合15 號煤層工作面的實際情況，在理論計算的基礎上最終確定該工作面的支護方式如下：

1）工作面頂板錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，錨桿間距為900 mm，錨桿排間距為900 mm；

2）兩幫所選型錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為1.8 m，錨桿間距為700 mm，錨桿排間距為900 mm，兩幫錨桿呈45°安裝；

3）錨索選用左旋預應力絞線，錨索直徑為16 mm，錨索長度為6.5 m，錨索間距為1 600 mm，錨索排間距為1 800 mm。

此外，支護方案中所采用樹脂錨固劑的型號為Z2060，并在錨桿錨索支護的基礎上在頂板和兩幫采用網格尺寸為900 mm×900 mm 的W 鋼帶進行固定[3]。

2.2 機械設備配套

2.2.1 鑿巖鉆頭的配套

鑿巖鉆頭的性能在一定程度上決定了鉆孔的效率和質量，進而直接決定工作面的掘進效率。目前，常用于掘進工作面的鉆頭類型有十字型鉆頭和球齒型鉆頭。

經實踐表明，在實際鉆孔過程中采用十字型鉆頭的平均鉆孔速度為0.15 m/min，且一般在鉆了三個孔后就需重新?lián)Q個鉆頭；當采用球齒鉆頭時其對應平均鉆孔速度為0.25 m/min，且采用球齒鉆頭鉆完四個孔后，鉆頭還可繼續(xù)使用。

綜上所述，為15 號煤層工作面的快速掘進配置球齒鉆頭，且根據工作面錨桿錨索的直徑為其配置鉆頭的直徑為42 mm。

2.2.2 金屬網的鋪設

工作面所鋪設的金屬網可以有效提升巖巷的支護強度，提升錨桿錨索的支護效果。該工作面以前所鋪設金屬網的規(guī)格為2.3 m×1.5 m，在實際施工過程中存在鋪設效率低的問題。為保證工作面支護效果提升施工效率，將金屬網的規(guī)格增大為3 m×1.5 m，且每個網孔的規(guī)格為100 mm×100 mm[4]。

2.2.3 鑿巖機的配套

鑿巖機是為掘進工作面支護所需實施鉆孔的關鍵設備，原方案采用風動鑿巖機，存在鉆孔速度慢的問題，平均每個鉆孔所需時間為8 min。為此，采用液壓鑿巖機替換風動鑿巖機。

而且，為進一步提升工作面的掘進效率對涉及到的機械設備作出如下改進：

1）將工作面所配套EBZ200H 掘進機履帶槽由垂直方向改進為切斜方向，增大了履帶槽的深度，進一步提升掘進機的爬坡能力；

2）采用伸縮式皮帶運輸機替代橋帶式裝載機，在提升運輸能力的同時，避免了刮板機卡鏈事故的發(fā)生[5]。

3 應用效果分析

經過對掘進工作面支護方案進行優(yōu)化設計后，工作面每推進100 m 可節(jié)約500 根錨桿，支護所需時間相應減少了500 個孔的打孔時間，大大提高了錨桿支護的效率，進而提升了工作面的掘進效率。

用球齒鉆頭替換十字型鉆頭，平均每鉆十個孔可節(jié)約時間將近3 h，大大提升了工作面的鉆孔效率，進而提升了工作面的掘進效率。

將工作面金屬網的規(guī)格由2.3 m×1.5 m 優(yōu)化為3 m×1.5 m，可將以往的金屬網搭接次數由8 次降低至4 次，每個循環(huán)班可節(jié)約時間將近1 h，大大縮減了金屬網的鋪設時間，從而間接地提升了掘進效率。