黃陵二號煤礦快速掘進系統的應用

易瑞強

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業公司隸屬于陜西煤業化工集團，礦區地處鄂爾多斯盆地南沿，主采煤層埋深大、瓦斯高、片幫、底鼓嚴重。作為我國煤礦智能化開采的先行者，其所屬的4個礦井6個綜采工作面已全部實現智能化開采，但巷道掘進依然采用“綜掘機+單體錨桿鉆機”的作業方式，月均進尺僅270 m左右，掘進工作面人員密集、勞動強度大，嚴重制約黃陵礦業公司安全高效生產。2018年起，黃陵礦業公司與中國煤炭科工集團太原研究院有限公司合作，踐行“機械化換人，自動化減人”總體要求，對掘進工藝、成套掘進裝備和勞動組織等進行深度研究，成功研制了適用于中等復雜地質條件的快速掘進系統，大幅度提升了掘進設備系統化、自動化水平，單隊掘進綜合效率提高1倍以上。

1 黃陵快速掘進系統

1.1 系統構成

黃陵快速掘進系統主要包括低比壓型掘錨一體機、錨桿轉載機、可彎曲膠帶機、邁步式自移機尾，集成除塵、供電、控制通訊等子系統，如圖1所示。系統內各設備、子系統協同聯動，一體化完成割煤、裝煤、破煤、運煤、支護、除塵等工序。低比壓型掘錨一體機全寬截割，機載6臺鉆機；錨桿轉載機破碎均勻轉載，機載6臺鉆機；可彎曲膠帶機和邁步式自移機尾組成柔性連續運輸系統，完成截割落煤的連續轉載。系統總體參數見表1。

1-掘錨綜合機組；2-錨桿轉載機；3-可彎曲膠帶機；4-邁步式自移機尾；5-除塵系統

表1 快速掘進系統總參數

1.2 技術特點

黃陵快速掘進系統基于大斷面高效快速掘進系統，結合黃陵礦區的特定地質條件開發。該系統首次實現中等復雜地質條件下煤巷掘進的掘、支、運一體化平行作業，掘進效率成倍提高；采用寬履帶、輕量化技術，將掘錨一體機的接地比壓由0.27 MPa降低至0.2 MPa，采用交流變頻電牽引技術，實現快響應、高扭矩啟動，提高了掘錨一體機對松軟底板的適應性。同時，研發煤礦用全自動錨索鉆機，實現錨索鉆機鉆桿儲存、接桿、鉆孔、拆桿工藝的全流程自動化。集成遠程健康診斷系統，實現成套裝備按需維護和保養。

2 工作面概況

2.1 地質構造

工業試驗在黃陵二號煤礦303膠帶巷實施，該掘進工作面屬于礦井三盤區，位于黃陵縣雙龍鎮西北方向約3 km的西峪村內，303膠帶巷位于黃陵礦區西部，工作面中部發育有一向斜構造，軸向正北，前期勘探未見斷裂構造及其他影響采掘活動的地質構造發育。

2.2 煤層及圍巖

303膠帶巷內2號煤為黑色塊狀，弱瀝青光澤，層狀構造，條帶狀結構，內生裂隙發育，煤層厚度2.8～5.75 m，平均厚度4.2 m，厚度變化較穩定，煤層近水平發育，傾角為0°～4°，平均為1°，煤層普氏硬度f為2～3。煤層下部有0～1層夾矸，夾矸普氏硬度f為3～5。煤層以暗煤為主，亮煤次之，絲炭少量，屬半暗型煤，自然發火期55 d，煤塵具有爆炸性。煤層頂底板情況見表2。該工作面順槽掘進時正常涌水量為3～5 m3/h，最大涌水量為20 m3/h，瓦斯含量0.33～0.90 m3/t，平均0.54 m3/t，區域內油型氣含量較高，開采煤層的直接頂底板孔隙度低，不利于煤層氣逸散。

表2 煤層頂底板情況

2.3 巷道設計

303膠帶巷設計參數：寬度5.4 m，高度3.8 m，斷面面積20.52 m2，掘錨一體機沿巷道設計中心及煤層頂板進行掘進作業。

頂部支護：①錨桿布置。頂部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿并配合圓鋼托梁進行支護，鋼筋托梁由φ16 mm圓鋼加工，長度5 000 mm，一梁六孔，每根圓鋼托梁施工6根錨桿，平均分布，靠幫處錨桿與頂板呈75°施工，其余錨桿垂直于巷道頂板施工，錨桿間排距為970 mm×1 000 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用一卷MSK2335和兩卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規格為150 mm×150 mm×12 mm。②錨索布置。錨索使用φ21.8 mm×7 300 mm十九芯鋼絞線，結合T140鋼帶施工，每根鋼帶施工4根，靠幫處頂錨索與頂板呈75°施工，其余錨索均垂直于巷道頂板施工。T140鋼帶“一梁四孔”，長5 000 mm，錨索間排距1 600 mm×2 000 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規格為80 mm×80 mm×10 mm。

幫部支護：采面側幫部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿支護，每排施工4根，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，上部第1根錨桿距離頂板300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規格為200 mm×200 mm×12 mm。煤柱側幫部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿支護，每排施工5根，錨桿間排距750 mm×1 000 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規格為200 mm×200 mm×12 mm。

3 掘進工藝及應用效果

3.1 掘進工藝

掘支運一體化作業：①作業方式。掘錨一體機采用全寬滾筒截割，一次掘全礦，掘進的同時，系統所搭載的12臺鉆機同步支護，掘錨一體機刮板機、錨桿轉載機刮板機和柔性連續運輸系統同步轉載，將迎頭截割落煤轉載到順槽膠帶。②作業關鍵。掘支運一體化作業實效高效的關鍵在錨桿、錨索支護效率[1-3]，系統改變傳統的迎頭支護模式，根據巷道圍巖條件和支護強度，綜合分析計算，以空間換時間，利用多排多臂支護工藝實現巷道錨桿支護的空間布局，支護作業由掘錨一體機和錨桿轉載機在空間不同工位完成，提高支護效率[4-7]。③任務分工。正常情況下，2人操作掘錨一體機前排機載的4臺頂錨鉆機完成頂板6根錨桿支護，2人操作掘錨一體機上2臺幫鉆機完成巷幫第一、二排幫錨桿支護(鋪設幫部金屬網/塑料網)，2人操作錨桿轉載機上4臺鉆機完成頂板4根錨索支護，2人使用錨桿轉載機完成第三、四排幫錨桿支護，如圖2所示。當頂板破碎時，由掘錨一體機上2人隔排使用掘錨一體機完成2根頂錨索支護，其余由錨桿轉載機補支護。

圖2 支護任務分工

瓦斯鉆場施工：掘錨一體機正巷掘進至鉆場位置，側偏開掘瓦斯鉆場，完成支護后，回歸正巷掘進；前探鉆機行走至鉆場進行探孔作業，實現掘進與鉆探平行作業。綜合掘進推進速度、前探鉆進速度、瓦斯抽放孔數量[8-13]，確定瓦斯鉆場間距為80 m，最大程度匹配掘、探工藝。

3.2 應用效果

勞動組織：快速掘進系統所在的303膠帶巷采用“三八制”作業。共計3個班組(檢修班、生產一班、生產二班)，檢修班負責檢修及準備工作，兩個生產班分別為四點班和零點班負責掘進。檢修班固定為8點班，其他兩個生產班每15 d進行一次倒班，各班必要生產人員配置見表3。

表3 生產人員配置

掘進進尺：2019年2月，快速掘進系統在黃陵二號煤礦303膠帶巷工作面安裝調試，3月開始工業性試驗，至9月份結束試驗，共歷時7個月。其中3～5月份進尺分別為593 m、608.6 m、588.8 m，6月份根據礦區生產接續安排303膠帶巷停工，7～9月份分別完成進尺624.7 m、603.5 m、611.7 m，工業性試驗期間總進尺3 630.3 m。該期間快速掘進系統進尺統計圖如圖3所示，除6月份停用外，快速掘進系統在6個月的使用中整體運行平穩，系統可靠性高。

圖3 快速掘進系統進尺統計

應用分析：快速掘進系統實現了全寬斷面快速掘進、“掘支錨運”平行作業和遠距離遙控操作，多排多臂同步支護工藝使支護工序平均時間降低30%，掘支運平行作業時間由不足25%提高至50%，改變了“掘進機+單體錨桿鉆機”的傳統掘進工藝，與傳統綜掘(270 m/月)相比，掘進速度提高1倍以上。

4 結語

黃陵快速掘進系統的實踐，是以掘錨一體機為龍頭的快速掘進系統的新創新和發展，成功的在中等復雜地質條件下實現了煤巷的高效快速掘進。該系統有效提升了快速掘進系統的適應性，為同類煤礦掘進技術的升級換代提供了有益嘗試，為煤礦高效安全生產提供科技支撐。