煤礦巷道掘錨一體化快速掘進技術(shù)研究

李 平

(晉能控股煤業(yè)集團 寺河礦，山西 晉城 048000)

隨著我國煤礦掘進機械化水平的提升，在傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護條件下，錨桿巷道掘進受到諸多的影響，錨桿支護占據(jù)了總掘進的大部分時間，制約著巷道掘進效率。現(xiàn)階段綜掘施工的方式有錨桿鉆機+連續(xù)采煤機、單體錨桿鉆機+掘進機、掘錨一體化機組。其中，錨桿鉆機+連續(xù)采煤機支護技術(shù)易受到地質(zhì)條件的制約，當掘進過程中頂板破碎時，需要短掘快支護的方式，制約著巷道掘進速度；單體錨桿鉆機+掘進機支護技術(shù)的輔助作業(yè)時間較長、巷道單進水平低、工人勞動強度大、掘進和支護作業(yè)分離，致使巷道掘進速度慢；掘錨一體化機組支護技術(shù)不需要撤離掘進機，就能完成支護作業(yè)，控制了圍巖變形，適用于頂板較為破碎的地質(zhì)條件，減少了輔助作業(yè)時間，改善了煤巷的頂板環(huán)境[1-4]。因此，采用掘錨機進行巷道支護，推動了掘錨一體化圍巖控制的技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)了割煤和錨桿支護的平行作業(yè)，提高了巷道的掘進速度。

鑒于此，本文以晉能控股煤業(yè)集團寺河礦為例，研究了煤礦巷道掘錨一體化快速掘進技術(shù)，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進，提高了掘進效率。

1 工程概況

研究巷道3號煤層：黑色，煤芯呈短柱狀及塊狀，煤質(zhì)較硬，玻璃光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，階梯狀斷口，頂部煤芯呈碎塊狀及粉狀，近底部夾1層泥巖，煤層結(jié)構(gòu)為5.15 m(0.20 m)0.35 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。西區(qū)北回風二巷巷道布置如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTab.1 Coal roof and floor conditions

圖1 西區(qū)北回風二巷巷道布置Fig.1 Layout of the roadway in the second lane of the north return air in the west zone

2 掘錨機施工輔助設(shè)備加工

為了較好適應(yīng)某煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件，對掘進的液壓頂篷和割煤工序進行改造，并設(shè)計煤壁落煤阻擋裝置，該輔助設(shè)備的加工確保了掘錨一體化的正常施工。

(1)液壓頂篷加工。液壓頂篷支護主要由耳子、臨時頂板支護、銷子和千斤頂組成，其加工如圖2所示。

圖2 液壓頂篷加工示意Fig.2 Hydraulic roof processing schematic

(2)煤壁落煤阻擋裝置。為了防止掘錨機施工中被崩落的煤影響操作人員，設(shè)計了煤壁落阻擋裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 煤壁落煤阻擋裝置Fig.3 Coal wall falling blocking device

(3)掘錨機進刀路線。掘錨機割煤支護工序如圖4所示。

圖4 掘錨機割煤支護工序Fig.4 Tunneling machine cutting coal support process

3 掘錨一體化快速掘進技術(shù)

3.1 掘錨機技術(shù)特征

(1)應(yīng)適應(yīng)的條件范圍：最大可掘高度4.835 m，可掘?qū)挾?.96 m，需具備沿頂掘進施工能力(機組質(zhì)量不超過80 t)。

(2)通過2臺前部機載鉆臂、2臺后鉆(或液壓支腿鉆機)和預(yù)留2臺機載手持液壓鉆模式，實現(xiàn)頂幫錨桿同時支護、上下幫錨桿同時支護。鉆臂滿足360°旋轉(zhuǎn)施工的能力，實現(xiàn)工作面錨桿、錨索孔及掘進面探測孔的機械化施工。手持鉆設(shè)計合理的操作平臺，機載存放空間。

(3)鉆臂滿足360°旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)井下工作面錨桿、錨索孔及掘進面探測孔的機械化施工。手持鉆設(shè)計合理的操作平臺，機載存放空間。機身兩側(cè)有可前后伸縮的滑移機構(gòu)，滑移裝置滑移距離必須大于等于4 000 mm，保證不影響機組的正常掘割。

(4)臨時支護機構(gòu)。采用支撐力大于20 kN、矩形可側(cè)伸的臨時支護形式，保證接頂支護面積符合礦用要求，支護頂板展開寬度2 800 mm。臨時支護裝置與站人操作平臺一體設(shè)計，方便作業(yè)人員施工。

(5)掘錨機主要技術(shù)參數(shù)。整機外形尺寸：長度≤10.53 m、寬度≤3 000 mm(鏟板寬度≤3 200 mm)、高度≤2.65 m；鉆臂數(shù)量為4臺(2臺前部鉆機+2臺后鉆或液壓支腿鉆機和預(yù)留2臺機載手持液壓鉆模式)；適應(yīng)斷面≥19 m2；裝機功率為352 kW；截割功率為220 kW；接地比壓為0.16 MPa；裝運能力≥300 m3/h；爬坡能力為±16°；工作范圍為最大可掘高度≥4.835 m，可掘?qū)挾取?.96 m；整機質(zhì)量≤80 t。

(6)錨鉆系統(tǒng)。①前鉆臂參數(shù)。額定轉(zhuǎn)矩≥245 N·m(通過扭矩倍增器或其他手段保證最終扭矩達到400 N·m)，額定轉(zhuǎn)速≥500 r/min，最大扭矩≥300 N·m，推進行程≥1 400 mm，推進力≥20 kN，滑道伸縮長度≥4 500 mm，鉆臂伸縮行程≥800 mm，鉆臂推進補償行程≥500 mm，推進器俯仰角度為180°，推進器擺動角度為180°，鉆臂水平回轉(zhuǎn)角度≥30°，鉆臂上下升降角度≥30°。②后鉆臂參數(shù)。水平回轉(zhuǎn)角度為120°，上下升降角度≥52°，推進器水平回轉(zhuǎn)角度為120°，額定轉(zhuǎn)矩為132 N·m，額定轉(zhuǎn)速為350 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為60 N·m，推進行程為1 000 mm，推進力為10 kN，推進速度為5 m/min。③液壓手持鉆技術(shù)參數(shù)。額定轉(zhuǎn)速為380 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為105 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為115 N·m，質(zhì)量為9 kg，外形尺寸(長×寬×高)為270 mm×520 mm×160 mm，鉆孔直徑≤95 mm，操作手柄間距為500 mm。

(7)臨時支護系統(tǒng)。臨時支撐力≥20 kN，最大支撐高度≥5 200 mm，支撐面積≥4.5 m2。

3.2 掘錨機施工工藝流程

掘錨機施工工藝流程：交接班→安全檢查(探頭位置、工程質(zhì)量、瓦斯、兩幫、頂?shù)装宓?→切割(出煤)→安全檢查(探頭位置、工程質(zhì)量、瓦斯、兩幫、頂?shù)装宓?→頂板、幫部永久支護→修整底板→進入下循環(huán)[5-8]。

掘錨機施工作業(yè)流程如圖5所示。

3.3 巷道支護參數(shù)與支護工藝優(yōu)化

3.3.1 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

巷道采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng)[5-8]，并進行錨索補強。

圖5 掘錨機施工作業(yè)流程Fig.5 Construction process of tunneling anchor

(1)巷道頂部支護。①頂錨桿支護方式及參數(shù)。錨桿形式和規(guī)格：采用桿體為φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M24，型號為MSGLW500-22×2400。錨固方式：樹脂加長錨固，采用2支錨固劑，先放1支MSK2335，后放另1支MSZ2360，鉆孔直徑30 mm，孔深控制在2 295～2 335 mm，錨固長度1 200 mm。鋼筋托梁規(guī)格：西區(qū)北回風二巷采用φ16 mm的鋼筋焊接而成，寬100 mm，鋼筋托梁長4 800 mm，型號T4800×60/16100×100；托盤：采用拱形高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm(長×寬×高)，配合M24×3螺母、托盤調(diào)心球墊和尼龍墊圈。錨桿角度：靠近巷幫的頂板錨桿，安設(shè)角度與巷道豎直線成10°(向外)，其他與頂板垂直。網(wǎng)片規(guī)格及搭接：采用GM6.5/100-1.3×2.9型鋼筋網(wǎng)護頂。不同網(wǎng)片(金屬網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、塑料網(wǎng))或相同網(wǎng)片之間相互搭接不小于100 mm，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)搭接處需彎鉤，搭接處用雙股18號鐵絲按不大于100 mm的間隔聯(lián)網(wǎng)，一道壓一道，聯(lián)網(wǎng)時每匝扭結(jié)不少于3圈，每米不少于10道。聯(lián)網(wǎng)絲規(guī)格為雙股18號鐵絲。錨桿布置：西區(qū)北回風二巷頂錨桿排距為1 000 mm，頂錨桿每排6根，間距900 mm，靠近兩幫的頂錨桿距幫250 mm。②頂錨索支護方式及參數(shù)。錨索形式和規(guī)格：采用φ22 mm的單根鋼絞線，型號為：SKP22-1/1720-7300(簡稱：7.3 m錨索)。錨固方式：樹脂加長錨固，采用3支錨固劑(錨索專用)，先放1支MSK2335，后放另2支MSZ2360，鉆孔直徑為30 mm，孔深控制在6 925～7 025 mm，錨固長度為1 970 mm。托盤：采用拱形高強度調(diào)心金屬托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm×26 mm(長×寬×厚×孔直徑)，配合托板調(diào)心球墊。錨索角度：與頂板垂直。錨索布置：西區(qū)北回風二巷頂錨索間距為1 800 mm，距幫1 600 mm，錨索每排2根，排距2 000 mm。錨索捆綁利用托盤上的眼與頂板錨網(wǎng)聯(lián)鎖，兩翼的鐵絲成180°。錨索鎖具尾部用10號鐵絲十字交叉捆綁3圈，捆綁在頂網(wǎng)上。

(2)巷道幫部支護。①巷幫錨桿支護方式及參數(shù)。錨桿形式和規(guī)格：兩幫采用桿體為φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，長度2 000 mm，桿尾螺紋為M24，型號為MSGLW500-22×2 000(簡稱：高強幫錨桿)。錨固方式：高強幫錨桿采用2支錨固劑，先放1支MSK2335，后放另1支MSZ2360，鉆孔直徑為30 mm，孔深控制在1 895～1 935 mm，錨固長度為1 200 mm。托盤：兩幫采用W型錨桿鋼護板(規(guī)格為4 mm×280 mm×400 mm Q235B)，配合拱形高強度托盤(規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm)、M24×3螺母、托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈。錨桿角度：靠近頂板的巷幫錨桿，安設(shè)角度與巷道水平線成10 °向上，其他與巷幫垂直。網(wǎng)片規(guī)格：巷幫采用50 mm×50 mm，3 700 mm×1 200 mm菱形金屬網(wǎng)護幫。不同網(wǎng)片(金屬網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、塑料網(wǎng))或相同網(wǎng)片之間相互搭接不小于100 mm，搭接處用雙股18號鐵絲按不大于100 mm的間隔聯(lián)網(wǎng)，一道壓一道，聯(lián)網(wǎng)時每匝扭結(jié)不少于3圈，每米不少于10道。聯(lián)網(wǎng)絲規(guī)格為雙股18號鐵絲。錨桿布置：幫錨桿排距為1 000 mm，每幫1排4根，間距1 000 mm，靠近頂上的一根幫錨桿距頂板200 mm，最下一根錨桿距底板不超800 mm。②幫錨索支護方式及參數(shù)。錨索形式和規(guī)格：采用φ22 mm的單根鋼絞線，型號為：SKP22-1/1720-5300，長度5 300 mm。錨固方式：樹脂加長錨固，采用3支錨固劑(錨索專用)，先放1支規(guī)格為MSK2335，后放另2支規(guī)格為MSZ2360，鉆孔直徑為30 mm，孔深控制在4 925～5 025 mm，錨固長度為1 970 mm。托盤：采用拱形高強度調(diào)心金屬托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm×26 mm(長×寬×厚×孔直徑)，配合托盤調(diào)心球墊。錨索角與巷幫垂直。錨索布置方式及間排距嚴格按照巷道超高時采取的安全技術(shù)措施執(zhí)行。

(3)預(yù)緊力矩、預(yù)緊力、錨固力規(guī)定。頂錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)達到400 N·m；頂錨桿錨固力應(yīng)達到190 kN。幫高強錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)達到400 N·m，玻璃鋼錨桿預(yù)緊力矩應(yīng)達到40 N·m。幫高強錨桿錨固力應(yīng)達到190 kN，玻璃鋼錨桿錨固力應(yīng)達到60 kN。

西區(qū)北回風二巷巷道支護斷面如圖6所示。

圖6 西區(qū)北回風二巷巷道支護斷面Fig.6 Roadway support section of the second lane of north return wind in west zone

3.3.2 巷道支護工藝優(yōu)化

巷道支護工藝優(yōu)化流程如圖7所示。

圖7 巷道支護工藝優(yōu)化流程Fig.7 Optimization process of roadway support technology

4 工程效果實踐分析

為了驗證煤礦巷道掘錨一體化支護效果，對巷道進行4個月的掘進進尺統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 試驗巷道應(yīng)用掘錨機掘進進尺統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the driving plan of the test roadway using the bolter

掘錨機掘進和綜掘機掘進巷道進尺對比如圖8所示。

圖8 掘錨機掘進和綜掘機掘進巷道進尺對比Fig.8 Comparison of roadway footage between tunnel boring machine and fully-mechanized tunneling machine

由圖8可知，采用掘錨機比綜掘機掘進巷道進尺提高了約1倍，表明采用掘錨機能夠有效提高巷道掘進效率。

5 結(jié)語

采用掘錨一體化設(shè)備，取得了顯著的成果，改善了現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。施工除塵效果好、高阻力臨時支護，保證了人員安全，對底板破壞作用小，降低了工人的勞動強度；突破了巷道傳統(tǒng)施工工藝存在局限，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進，提高了掘進效率。