曹家灘煤礦智能快速掘錨成套裝備應用

王 劍,劉備戰，雷亞軍，張興寬

(陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前，我國礦井煤巷主要采用連采機掘進和綜掘機掘進2種方式，月進尺僅為500 m左右，掘進裝備與工藝整體落后、掘進效率低，使得大斷面煤巷掘進速度無法滿足大型礦井安全高效開采的需要，生產銜接較為緊張。掘錨一體機能夠實現掘支平行作業，提升掘進速度，有效降低工人勞動強度，具有廣闊的發展前景[1-2]。為此，曹家灘煤礦引進了中國鐵建重工集團研制的智能快速掘錨成套裝備，志在解決快速掘進問題。關于快速掘錨裝備在煤礦中的應用，孫旭威[3]提出掘錨一體技術將是未來巷道掘進發展的趨勢，在提高效率，降低勞動強度，提高錨桿預緊力，降低錨桿支護密度等方面都很有優勢。梁小康等[4]提出將現有橋式轉載機更換為自移式機尾，能隨掘錨機向前推移，生產過程中不需要延長機尾，可實現連續掘進施工。董慶等[5]提出通過優化支護參數，降低支護成本，提高巷道掘進速度，實現回采的安全、快速、經濟。宋作文等[6]提出通過優化工藝流程、調整支護參數可以有效提高掘進工作面的掘進進尺和全員工效。曹家灘煤礦122109綜采工作面布置4條巷道，122109外回風順槽，位于礦井2-2煤層12盤區，煤層底板標高+957～+972 m，沿煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，斷面尺寸為5.6 m×4.45 m(寬×高)，設計掘進長度6 004 m，煤層近水平結構簡單，無大的褶曲、斷層和巖漿活動，屬于穩定性煤層。通過智能快速掘錨成套裝備的應用，以期解決礦井采掘接替問題，為同類型礦井智能化改造升級提供參考依據。

1 智能快速掘錨成套裝備概述

1.1 裝備組成

曹家灘煤礦引進的智能快速掘錨成套裝備是由中國鐵建重工集團生產，以國產掘錨一體機為龍頭，配套錨桿臺車、礦用帶式轉載機等新型快掘快支成套設備，是國內首套智能快速掘錨成套設備[7]。該裝備由1臺掘錨一體機、2臺液壓錨桿臺車和1臺帶式轉載機組成，主機總長35.7 m，有效轉載距離60 m，既能截煤裝運，又可錨桿支護，機組單個掘進循環進尺1 m，可一次完成10個頂錨桿、6個幫錨桿和2個頂錨索全機械化作業，實現復雜地質條件下煤礦巷道大斷面一次截割成型和全斷面機械化支護，設計掘進速度1 500 m/月，比傳統的懸臂式掘進機施工速度提高了3倍以上。

1.2 EJM270/4-2掘錨一體機

EJM270/4-2掘錨一體機主要是為煤礦綜采工作面巷道掘錨服務的機械設備，主要適用于煤及半煤巖巷的掘進。該機可切割單向抗壓強度≤80 MPa的煤巖，可掘巷道最大寬度6.5 m，最大高度4.45 m，巷道斷面一次成型，形狀為矩形，適應巷道坡度±6°。

1.3 液壓錨桿臺車

液壓錨桿臺車由CMM001型錨桿鉆車和CMM002型錨桿鉆車組成。CMM001型錨桿鉆車配備3臺頂錨桿機、4臺幫錨桿機；CMM002型錨桿鉆車配備3臺頂錨(索)桿機、2臺幫錨桿機，錨桿、錨索機支護范圍大，可覆蓋頂板和側幫的支護。

1.4 DZQ100/130/55型帶式轉載機

DZQ100/130/55型帶式轉載機是一種橋形帶式輸送機，主要由皮帶機頭部、皮帶機尾部、橋架總成、液壓系統及潤滑系統組成。該機適用于直巷掘進，巷道寬度大于4.5 m，坡度小于6°，可以左右擺偏±3°。布置于掘錨機組和帶式輸送機之間，與二者配套使用可實現掘進、錨護、物料破碎和輸送的機械化連續作業，大大提高了掘進速率和安全性。

2 應用情況

2.1 應用效果

曹家灘煤礦于2019年5月中旬引進一套由鐵建重工制造的智能快掘成套設備后，至2019年12月底已累計掘進巷道9 760 m，月平均進尺1 501.5 m。區隊實行“三八制”，兩個生產班和一個檢修班，早班半班檢修半班生產，中班、夜班全力生產，每個生產班組配備20人，檢修班配備15人，機組全員最高工效可達1.51 m/人·d。在此之前，曹家灘煤礦掘進區采用懸臂式綜掘機和連采機進行巷道掘進，使用托梁器托鋼梁進行臨時支護，支護費時費力，人員勞動強度大，工作效率低，作業環境差，單巷掘進懸臂式綜掘機月平均進尺382.5 m，連采機月平均進尺746.3 m。采用智能快速掘錨成套裝備后，掘進速度大幅提升，人員勞動強度降低，作業環境得到初步改善，掘進速度是綜掘機的3.92倍，是連采機的2.01倍，進尺優勢明顯，且還有進一步提升的空間，但問題顯現也特別明顯，支護參數的不配套以及電路、液壓系統故障時有發生[8-10]，需要進一步整改完善，采取整改措施后單月進尺突破2 020 m，刷新了曹家灘煤礦進尺紀錄。

2.2 常見問題及處理措施

2.2.1 截割滾筒不工作

截割滾筒空載正常，截割時不工作。這種情況一般為過熱、斷相、過載過流、漏電閉鎖等故障中的一種，可以查看電子顯示器故障信息提示。對于過熱故障，應排查水路系統問題，逐項排查供水壓力、噴霧壓力、供水流量、噴嘴等各部分情況，找出故障原因[11-12]。對于斷相故障，則應排查電纜破損情況及供電缺相等；對于過載過流故障，應排查巖石硬度、進刀深度、滾筒牽引速度等參數是否合理，并檢查截齒缺損情況；對于漏電閉鎖故障，應檢查電路絕緣情況及絕緣電阻是否達標。

2.2.2 鏟板及刮板

鏟板無法抬起：查看鏟板升降油缸回路故障，查看輸送滑槽損壞情況。

刮板鏈不運行：查看是否存在煤巖異物導致卡鏈，查看裝運電機是否正常工作及扭矩軸是否斷裂。

刮板鏈斷鏈：查看刮板鏈張緊量，并檢查是否存在張緊油缸自卸現象。檢查是否有鏈條節距不等和過度磨損，查看鏈輪中是否卡住巖石或異物。

2.2.3 支護問題

臨時支護無法上升：查看油缸溢流閥壓力是否不足或溢流閥損壞，檢查臨時支護油缸漏油或損壞情況。若臨時支護油缸損壞，應排查是鏟板變形與臨時支護油缸干涉還是鉆架與臨時支護油缸干涉，及時作出補救；查看是否有銷軸脫出或丟失。

鉆臂距離不合適：頂錨鉆臂左右滑移距離太小，無法滿足現頂錨設計間距1 m，傾斜支護造成部分頂錨桿不能垂直煤壁進行支護。幫錨鉆臂滑道太短，需更換兩次鉆桿才能完成一根錨桿的打眼工序。鉆機由固定式改為滑移式，增加了鉆機支護范圍且移動操作更方便。

頂幫錨桿支護參數不恰當：由于曹家灘122109外回風順槽巷道支護量大，2號錨桿鉆機本身設計的局限性，所以在支護未完成的情況下，將無法掘進，導致支護速度限制掘進速度，不能達到完全同步，頂幫錨桿支護參數不恰當影響掘進與支護的同步進行。

2.3 支護參數優化

2.3.1 外回順槽初始支護方案

122109外回順槽初始支護方案中，頂板采用6 000 mm×1 100 mm鋼筋網+φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+φ17.8 mm×6 500 mm錨索聯合支護。頂錨間距×排距為1 000 mm×1 000 mm，每排支護6根錨桿。錨索間距×排距為2 000 mm×3 000 mm。幫錨間距×排距為1 000 mm×1 000 mm，巷道煤柱側采用φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+塑料網聯合支護，巷道非煤柱側采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿支護。

2.3.2 錨桿錨索參數計算

由于大跨度巷道的特殊性，傳統的計算巷道頂板破壞范圍的方法與實際情況不符合。將矩形巷道等效成一個扁橢圓，通過分析扁橢圓的塑性區情況確定矩形巷道頂板的破壞范圍，這種方法更接近于矩形巷道的實際情況。采用等效法進行錨桿、錨索參數計算。假設矩形巷道的寬為2a，高為2b,則取等效的橢圓長軸為1.25a，短軸為1.7b，具體如圖1所示。在回風順槽巷道中取最大斷面來計算，其巷寬5.6 m，巷高4.45 m，因此頂幫松動范圍計算見式(1)、式(2)。

圖1 巷道截面示意

H=0.55b=0.55×2.225=1.222 4 m

(1)

I=0.25a=0.25×2.8=0.7 m

(2)

式中，H為頂板松動范圍，m；b為巷道開掘高度之半，取2.225 m；I為巷道兩幫松動范圍，m；a為巷道開掘寬度之半，取2.8 m。

2.3.3 布置優化

為了掘進與支護實現同步，以“以掘定支、掘支并行”為目標，對頂幫錨桿安設布置時空進行優化。

頂錨桿：優化為φ22 mm×2 400 mm的BHRB335號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 250 mm×1 000 mm，每排5根錨桿，減量提質。

頂錨索：φ17.8 mm×6 250 mm的鋼絞線，錨索孔深6 000 mm。孔深6 m為1.2 m鉆桿長度的整數倍，減少裝卸鉆桿次數。

幫錨桿：優化為φ22 mm×2 200 mm的GQN60型高強抗扭玻璃鋼錨桿及配套托盤螺母，托盤為塔型托盤，防止玻璃鋼錨桿自動退絲和托盤碎裂。

鉆桿：錨桿孔鉆桿裝備兩套(一根一套，兩根組合一套，不接、卸鉆桿)，錨索鉆桿優化為1.2 m一根，減少接、卸次數。

施工角度：煤柱幫最上部錨桿帶15°上仰角施工，頂錨桿兩側錨桿帶15°外扎角施工，控制肩角。

3 結語

智能快速掘錨成套裝備在曹家灘煤礦大斷面煤巷快速掘進過程中，實現了掘支同步，降低了勞動強度，提高了支護效率和安全性，月平均進尺1 501.5 m，實現了倍數式增長，超額完成了廠家設計掘進能力，但是機組故障頻發，現場掘進速度慢，一定程度上影響了掘錨一體機的正常運行。通過改進機組和優化支護參數，加強組織施工和現場管理，從而最大程度的發揮智能快速掘錨成套裝備各個設備的性能，單月進尺突破2 020 m，實現了煤礦安全高效快速掘進。