蒙大礦巷道高效快速掘進系統設計與應用

梁云峰，高愛紅

(1.中煤西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200；2.山東邦邁智能科技有限公司，濟南 251600)

采掘關系是煤礦生產中的主要矛盾之一。掘進效率低、采掘比例失調成為制約我國煤礦高產高效的瓶頸，也是制約中煤烏審旗蒙大礦業有限責任公司(以下簡稱蒙大礦)安全高效生產的瓶頸。高效機械化掘進技術、支護技術、連續運輸技術是保證礦井實現安全高效的必要條件，也是巷道掘進技術的發展方向[1-7]。

目前我國巷道掘進的設備種類較多，掘進設備的研發和更新速度日益加快，綜合來看目前快速掘進的配套設備主要有綜合機械化掘進、連續采煤機高效掘進和掘錨機組掘錨一體化掘進3種。這3種高效掘進設備的后配套形式更是多種多樣，常用的配套形式有：①綜掘機-橋式轉載機-可伸縮帶式輸送機[8，9]；②連續采煤機-梭車-錨桿機-行走支架-鏟車-給料破碎機-可伸縮帶式輸送機；③掘錨機-連運頭車-橋式轉載機-自移機尾(可伸縮帶式輸送機)；④掘錨機-多臂錨桿鉆車-可彎曲帶式轉載機-自移機尾(可伸縮帶式輸送機)[8]。

目前蒙大礦礦井中所采用的配套方式為掘錨機-連運頭車-橋式轉載機-自移機尾(可伸縮帶式輸送機)，該種配套方式最大缺點是橋式轉載機與自移機尾搭接行程短，需要頻繁沿自移機尾(可伸縮帶式輸送機)膠帶，掘進效率較低，不能滿足礦井掘進需求。目前市面上能滿足蒙大礦礦井掘進需求的高效快速掘進配套方式有掘錨機-多臂錨桿鉆車-可彎曲帶式轉載機-自移機尾(可伸縮帶式輸送機)，該種配套方式成本高，設備布置準備巷道較長，搬家倒面費用高，應用于3000m以上巷道掘進時，經濟效益高，應用于3000m以下巷道掘進時，經濟效益低。綜上，山東邦邁智能科技有限公司聯合中煤西北能源有限公司共同開發一套適用于蒙大礦生產的高效快速掘進系統。

1 蒙大礦煤層地質條件及巷道規格

開發設計的高效快掘系統將應用于蒙大礦3-1煤層31104回風巷。該巷道用途為31104綜采工作面回風及設備運輸。巷道總工程量為2722.5m，其中31104回風巷長度為2614.5m，各硐室長度共計108m。

煤層厚度為5.8～6.7m，平均厚度為6.4m，煤層傾角1°～3°，煤層層位穩定，結構簡單。煤層中局部含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3m左右，夾矸巖性為砂質泥巖，深灰色及灰色，含植物化石及云母碎屑。巷道底板為粉砂巖和細粒砂巖，巖石的抗壓強度平均為40.4MPa，抗剪與抗拉強度則更低，巖石的軟化系數絕大部分小于0.75，均為易軟化巖石，個別鈣質填隙的砂巖抗壓強度稍高些。煤層頂巖石以軟弱及半堅硬巖石為主，個別為堅硬巖石。

巷道規格為矩形，掘寬：5800mm，掘高：3900mm，巷道掘進面積：22.62m2，凈寬：5800mm，凈高3700mm，巷道凈面積：21.46m2。沿煤層底板掘進。頂錨桿布置：錨桿每排8根，排距900mm，間距為700mm、800mm，端錨桿與巷幫間距為150mm。頂錨索布置：錨索采用“4-2-4-2”模式，即第一排錨索每排4根，排距1800mm，間距1200mm，端錨索與巷幫間距為1100mm。第二排錨索每排2根，排距1800mm，間距1800mm，端錨索與巷幫間距為2000mm。依次交替進行支護。幫錨桿布置：錨桿每排5根，排距900mm，間距為850mm，端錨桿與頂板間距為300mm，底錨桿與底板間距為200mm。

2 高效快速掘進配套系統

根據蒙大礦煤層地質條件及巷道規格，山東邦邁智能科技有限公司聯合中煤西北能源有限公司共同開發一套適用于蒙大礦礦井生產的高效快速掘進系統，實現掘、錨、運三位一體，將整體掘進效率提高2.5倍。該高效快速掘進系統實現掘錨平行作業、多臺多臂平行支護、破碎和運輸平行作業、刮板和膠帶連續運輸、除塵和通風有機結合、設備遠程控制等功能。該系統主要包括掘錨機、液壓錨桿鉆車(含破碎)、大跨距橋式轉載機、履帶行走式自移機尾(可伸縮帶式輸送機)，如圖1所示。

圖1 高效快速掘進系統配套方案

該高效快速掘進系統的主要技術特征：①掘錨機，實現臨時支護和截割同步作業，保證截割穩定性；實現掘錨平行作業，將截割落煤和永久支護由同一設備并行完成；實現伸縮滾筒截割落煤，一次成巷，提高成巷質量；②掘錨機和液壓錨桿鉆車，實現多臺多臂平行支護，采用空間多維度同步支護，將支護時間向支護空間轉化，提高支護效率；③液壓錨桿鉆車，將破碎機有機結合到液壓錨桿鉆車上，實現破碎與運輸平行作業，消除破煤工序；④系統刮板運輸機和帶式輸送機有機搭接，實現連續運輸，搭接行程滿足圓班進尺要求，保證連續掘進，同時不影響支護設備支護作業；⑤除塵和通風，通過高效除塵器、三幕控塵等技術實現高效掘進粉塵防治；同時通風風筒與系統有機搭接，可隨系統及時跟進，滿足高瓦斯礦井通風要求；⑥遠程控制，基于多機協同控制技術構建中央自動化控制系統，實現工作面設備、子系統聯動、集中控制[10]；⑦輔助作業，基于電纜自移動布置和機械化延尾技術，實現配電裝置、除塵系統、材料、纜線與設備一體化同步移動，無人值守。

2.1 系統配套設備及參數

該高效快速掘進系統主要配套設備有：EJM270/4-2B型掘錨機和CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車，DZQ100/100/45型大跨距橋式轉載機和DWZY1000型履帶行走式自移機尾，其技術參數見表1。

表1 系統技術參數

2.2 掘錨機技術特征及參數

EJM270/4-2B型掘錨機主要技術特征有：掘錨一體化技術[11]；全寬截割技術[8]；短距重載刮板運輸技術[12]；三幕控塵技術等[13]。掘錨一體化技術既實現掘錨平行作業，同時也實現截割、裝載、臨時支護、錨桿支護等工序的平行作業。全寬截割技術主要機理是截割滾筒可伸縮，是實現快速截割的關鍵技術，通過一刀成巷，消除超、欠挖現象，提高巷道成形質量。短距重載刮板運輸技術是高效快速掘進連續運輸系統關鍵技術，解決了運量大、換向頻繁、搭接靈活等技術要求。三幕控塵技術是掘錨機實現固液氣三幕控，掘錨機截割內外噴霧形成水幕，保證煤機司機視線清晰；滾筒后部建立固態擋塵幕，阻擋粉塵擴散；環形側風管道控塵裝置與除塵器負壓共同作用，改變壓風軸向風流為沿巷壁的旋轉風流并使其不斷推進至擋塵幕后側，形成空氣幕，將已擴散粉塵壓制在迎頭形成粉塵池，截割臂上方風箱在粉塵池中近距高效吸塵，粉塵經多級風道由除塵器處理，掘錨機其技術參數見表2。

表2 EJM270/4-2B型掘錨機技術參數

2.3 液壓錨桿鉆車技術特征及參數

CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車主要技術特征有：短距重載刮板運輸技術；破碎部集成技術；多臂錨護技術；遠程控制技術等，其技術參數見表3。

表3 CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車技術

2.4 大跨距橋式轉載機技術特征及參數

DZQ100/100/45型大跨距橋式轉載機主要技術特征有：大跨距懸臂轉運技術；高強度剛性架集成技術；斜拉索與配重平衡技術；剛性架運行減震技術等，其技術參數見表4。

表4 DZQ100/100/45型大跨距橋式轉載機技術參數

2.5 履帶行走式自移機尾技術特征及參數

DWZY1000型履帶行走式自移機尾主要技術特征有：刮板式履帶牽引技術；電纜、管線智能管理技術等，其技術參數見表5。

表5 DWZY1000型履帶行走式自移機尾技術參數

3 施工工藝[14-16]

巷道采用掘錨機一次成巷的掘進方法，掘進與支護平行作業，掘進工作面煤炭的破、落、裝、運及巷道的支護均由掘錨機和后配套設備來完成。

3.1 掘進工藝

掘錨機掘進過程中首先將截割頭調整至巷道頂板，即升刀；掃去上一刀預留的200mm左右煤皮圓弧段，即掃頂；將截割頭向前切入煤體1000mm，即進刀；然后由上向下切入煤體，即割煤；當截割頭割到煤層底板時，掘錨機截割部向后退1000mm左右，拉底煤使巷道底平整，裝完余煤，即拉底；即為一個循環。完成1000mm的掘進后，將截割頭與鏟板放在最底，等待支護完后進行下一循環割煤。

3.2 運煤工藝

掘錨機截割時，煤落入鏟板內，由裝在鏟板上連續運轉的耙爪將煤裝入掘錨機的刮板輸送機，掘錨機的刮板輸送機再將煤轉運到液壓錨桿鉆車受料斗內。通過液壓錨桿鉆車破碎結構破碎后，再由液壓錨桿鉆車的刮板輸送機將煤轉運到大跨距橋式轉載機受料斗內。再由大跨距橋式轉載機膠帶運輸將煤轉運到自移機尾及工作面運輸巷，再轉運至工作面機頭硐室遛煤眼，再轉運至中央帶式運輸機大巷，再轉運至煤上倉斜巷，最后到達井底煤倉，完成運煤工藝。

3.3 支護工藝

采用掘錨機支護頂、幫錨桿和頂錨索，其他幫錨桿選用液壓錨桿鉆車支護。

臨時支護采用掘錨機自身的液壓支撐架和錨桿機的臨時支撐架支護。頂錨桿采用掘錨機支護。正(副)幫第一根、第二根錨桿采用掘錨機支護，第三根、第四根、第五根錨桿采用液壓錨桿鉆車支護。頂錨索采用液壓錨桿鉆車支護。

4 應用情況

系統于2020年8月15日在蒙大礦3-1煤層，31104回風巷應用。日平均進尺45m，截至到9月30日，共進尺1654m，平均月進尺1100m 。31104回風巷預計兩個半月完成掘進任務。

該系統既滿足日進尺50m掘進需求，又節約了設備投入成本。目前我國3km以下巷道占總掘進巷道工程量的一大半，該系統推廣應用前景良好。

5 結 論

以掘錨機、液壓錨桿鉆車(含破碎)、大跨距橋式轉載機、履帶行走式自移機尾(可伸縮帶式輸送機)組成的高效快速掘進實現了快速掘進、多臺多臂平行支護、破碎和運輸平行作業、刮板和膠帶連續運輸、除塵和通風有機結合、設備遠程控制。提高巷道掘進效率2.5倍，改變了傳統掘進工藝。滿足了中煤蒙大礦巷道掘進需求。同時為3km以下巷道掘進工作面提供了可選方案。