掘錨一體機的快速掘進技術應用

董 慶

(晉能控股煤業集團有限公司掘進開拓辦公室,山西 大同 037003)

作為煤礦生產的重要前端環節,巷道掘進的主要難題是采掘失調[1]。目前巷道掘進以懸臂式綜掘機配合單體錨桿鉆機方式為主,掘進與支護在工作面有限空間進行交替作業[2],鉆孔效率低,勞動強度大,工藝工序復雜,支護時間長[3],成巷效率較低,嚴重制約著巷道的快速掘進。掘錨一體機配備圓柱體式滾筒,割煤高效,自身配備液壓錨桿鉆機,掘進與支護可平行作業,煤巷掘支效率較高[4]。為滿足千萬噸高效礦井建設,大同礦區引進掘錨一體機技術,并在同忻、馬脊梁、馬道頭、燕子山等多座礦井試驗,突顯出掘錨一體機在煤厚快速掘進中的一些影響因素[5],使機組的優越性能不能充分發揮。針對這些因素,同忻礦采取本文一系列優化措施,取得較好效果,對實現煤巷的快速掘進具有非常好的借鑒作用。

1 工程概況

同忻礦C8#層北一盤區5104巷煤厚2.5 m～6.2 m,平均4.2 m;巷道設計長度1 956 m,斷面寬×高=5.6 m×3.85 m,采用EJM2×170六臂掘錨一體機掘進。巷道埋深500 m～510 m,上覆為C3#—C5#層采空區(2015年3月回采結束),層間距23 m～35 m。直接頂厚2.4 m～13.8 m,巖性為粗砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖、中礫巖、砂質泥巖；老頂厚14 m～20 m,巖性為粗、中、細、粉砂巖,炭質、砂質泥巖,含礫粗砂巖。巷道采用錨網索聯合支護,頂采用Φ20 mm×2 500 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,一排6根;幫采用Φ20 mm×2 500 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 300 mm×1 000 mm,一側3根;頂采用Φ6 mm鋼筋網片、幫采用菱形金屬網,錨桿托盤110 mm×110 mm×10 mm;頂采用Φ17.8 mm×6 300 mm錨索,錨索間排距為2 000 mm×2 000 mm,一排2根,錨索托盤250 mm×250 mm×16 mm,如圖1所示。

燕子山礦C3#層302盤區2212巷煤厚5.5 m～6.7 m,平均6.1 m;巷道設計長度2 540 m,巷道斷面寬×高=5.2 m×3.5 m,采用EJM2×170六臂掘錨一體機掘進。巷道埋深400 m～420 m,上覆為4#層采空區(2018年10月回采結束),層間距20 m～25 m。偽頂厚0.8 m,巖性炭質泥巖,直接頂厚6.45 m,巖性為泥巖、細砂巖、高嶺巖、以及C2#層煤；老頂厚28.57 m,巖性為高嶺巖、粗、中、粉砂巖、礫巖。巷道采用錨網索聯合支護,頂采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,一排6根;幫采用Φ18 mm×1700 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,一側3根;頂錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm鋼絞線,間排距為2 000 mm×3 000 mm,一排2根,錨索托盤250 mm×250 mm×16 mm。頂幫均采用菱形金屬網,頂錨桿配W型長鋼帶,規格4 800 mm×220 mm×3 mm,幫錨桿配W型短鋼帶450 mm×220 mm×3 mm,錨桿托盤110 mm×110 mm×10 mm,如圖2所示。

圖2 2212巷道支護斷面圖Fig.2 Section diagram of the support in 2212 roadway

2 EJM2×170機組及主要特點

2.1 EJM2×170機組

EJM2×170掘錨機由截割系統、鏟裝系統、錨固系統、驅動系統、電器系統、運輸系統、液壓系統、防塵系統、工作平臺、支護鉆機及托網架構成[6],如圖3所示。

圖3 EJM2×170掘錨一體機整機圖Fig.3 EJM2×170 tunneling and anchoring integrated machine

EJM2×170掘錨機機體總長12.09 m,機身最大高度2.52 m,總質量85 t,截割高度3.3 m～4.2 m,截割及鏟板寬度可根據巷道設計寬度定制。裝機總功率650 kW,其中截割電機功率2×170 kW,供電電壓AC1140V-50 Hz,其余參數見表1。

表1 EJM2×170相關參數Table 1 Parameters of EJM2×170 tunneling and anchoring integrated machine

2.2 主要特點

2.2.1割煤快，成型好

掘錨一體機截割滾筒為圓柱形,由三個截割滾筒、兩個伸縮滾筒和裝在滾筒端部兩個端環組成,滾筒寬度可根據巷道設計寬度提前定制。掘進時全斷面截割,割煤效率高、巷道成型好。切割部位參數如表2所示。

表2 切割部位參數Table 2 Parameters of cutting parts

2.2.2支護快，質量高

錨桿機部配備四臺頂板錨桿機、兩個側幫錨桿機和兩個操作平臺組成。頂板錨桿機位于鏟板后部,橫向排列布置,為錨桿作業提供全范圍的作業空間。通過配備的液壓錨桿鉆機,動力足,支護效率高,實現了掘進與支護平行作業,大幅提高掘支效率。

2.2.3空頂距小

鏟板部是由主鏟板、側鏟板、伸縮側鏟板、護板、從動輪裝置等組成。主鏟板采用犁式鏟板設計,最大限度減小了空頂距,有力提高機組對頂板的適應性,空頂距如圖4所示。

圖4 機組空頂距Fig.4 Unsupported roof distance of the machine set

3 影響快速掘進的主要因素及調整措施

3.1 影響條件

3.1.1地質條件

巷道地質條件對掘錨一體機實現快速掘進影響較大,掘錨一體機主要用于煤巷掘進,需要相對簡單的地質條件[7]。在實際應用中發現,一是當掘錨一體機遇頂板破碎時,機頭處與工作面煤壁作業空間狹小,超前采取措施處理頂板問題較為困難,不利于快速通過。二是當巷道受斷層、沖刷等地質構造影響出現大面積硬巖時,需要采取放震動炮等輔助措施,對巷道快速掘進影響也較大。

3.1.2控頂距

控頂距對巷道掘進速度影響較大,但從安全方面考慮,必須合理確定巷道掘進的控頂距[8],否則易出安全事故。控頂距控制較小時,如采取一掘一支,則機組掘進一個支護排距就必須停掘一次,等待一排支護的完成。根據巷道頂板情況在保證安全的前提下,適當調大控頂距,有利于巷道的快速掘進。如燕子山礦2212巷道受頂板淋水影響,巷道控頂距控制較小,為一掘一支,循環進度為1 m,對掘錨一體機的性能充分發揮有一定影響。

3.1.3探巷環節

煤礦巷道掘進堅持“有疑必探,先探后掘”的探放水原則,一般探放水鉆孔超前距不得小于30 m[9]。大同礦區各礦井條件不同,配備探巷設備也不同,先進的探巷設備一次可探距離較長,探巷頻次也少,對巷道正常掘進影響也就較小;但多數礦井采用的小型探巷鉆機,一次探巷距離較小,探巷頻繁,占用掘進時間較多[10]。如燕子山礦探巷鉆機日常僅能探測50 m～60 m,允許掘進距離20 m～30 m,即每掘進20 m～30 m探巷一次,探巷過于頻繁;同忻礦鉆機性能相對較好,但也需每100 m施工一個鉆機硐室,均對快速掘進的實現有一定影響。

3.1.4巷道支護

在巷道掘進中,支護時間占比達60%以上,過于保守的支護參數對巷道的快速掘進影響也較大。為實現快速掘進,在確保安全的前提,應合理優化支護參數,簡化工序。

3.2 實現快速掘進的主要措施

1)選擇頂板條件簡單、穩定的巷道。為充分發揮掘錨一體機的性能,同忻礦和燕子山礦都選擇頂板條件相對穩定巷道,巷道兩側均為實體煤,無采動影響,且處于采空區下部,巷道壓力較小。

2)合理的控頂距。同忻礦較好的巷道頂板條件,允許巷道掘進兩掘一支,循環進度2 m,減少了停機次數,縮短了割煤時間。

3)采用先進探巷技術。為降低探掘交叉影響,同忻礦引入千米鉆探技術,使5104巷每千米減少9個探水硐室,每月減少探巷次數7次,增加有效掘進時間7個班次。

4)優化支護設計。根據掘錨一體機支護鉆機布置位置,科學開展支護參數優化,同忻、燕子山均通過增大錨桿間距、調整布置樣式,實現每排減少1～3根錨桿,有效縮短了支護時間。

3.3 應用情況

通過引進掘錨一體機及采取一些列優化措施,馬道頭、燕子山、同忻礦巷道掘進速度及巷道成型均有大幅提升,主要如下:

1)循環作業。循環作業時間明顯縮短,同忻礦5104巷采用兩掘一支,循環進度2 m,各工序時間明顯縮短,機組割煤時間由45 min降低至15 min,支護時間由135 min降低至40 min,減少了掃底及修巷工序,正規循環時間由210 min降低至55 min。如表3所示。

表3 5104巷循環作業工序各項數據對比Table 3 Data comparison of cyclic operation process in 5104 roadway

2)巷道成型。掘錨一體機全斷面切割的方式,巷道成型非常好。頂平幫齊,肩角處棱角分明,錨桿支護橫成排豎成列,較懸臂式掘進巷道成型有質的提升,巷道成型如圖5所示。

圖5 掘錨一體機巷道成型Fig.5 Roadway shaping by tunneling and anchoring integrated machine

3)單進水平。燕子山礦受輔助運輸及頂板淋水等條件影響,掘錨一體機未能充分發揮作用,但日進尺由8 m增加至12 m,最高日進18 m,單進水平提高了0.5倍,月進水平達到360 m～400 m。同忻礦5104巷單進水平由10 m/d增加至28 m/d,提高了1.8倍,并在2020年8月份實現月進807 m,單日進尺最高34 m,創原同煤集團石炭系煤巷進尺最高記錄。

4 結論

1)掘錨一體機具有割煤速度快、掘支效率高的優點,實現掘支平行作業,可有效提高掘進速度。

2)掘錨一體機的快速掘進,需要較好的地質條件以及各相關環節、工藝工序等科學合理優化,充分發揮出機組的高性能。