煤礦快速掘進裝備拐彎開口技術應用與研究

張士魁 田 寶

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

隨著科技進步，煤礦機械化、自動化以及智能化浪潮沖擊著煤礦這個老傳統行業，安全、高效、綠色的要求給煤礦施加重重壓力[1-2]。煤礦普遍面臨著采掘接替緊張，提高綜掘的單進水平成為需要解決的重要課題[3-6]。巷道機掘受礦井地質情況、巷道斷面和支護形式及設備本身情況的影響，目前已無法滿足快速掘進需求。由于快掘設備較普通綜掘設備更長更寬，巷道拐彎難度較大，1113 巷快掘工作面施工到位后，利用快掘設備拐彎施工1113 切巷，為礦井快速機掘探索新思路。

1 概況

1.1 地質概況

巷道位于11 煤一采區，巷道自一采區輔助泄水巷X13 點前16 m 按方位角185°開門施工，東側為1113 工作面，西側為1115 工作面（未施工），北側為一采區輔助泄水巷，南側貫通一采區軌道巷。1113 巷掘進范圍揭露的圍巖巖性主要為：11 煤為塊狀～粉末狀，以亮煤為主，含少量鏡煤、暗煤條帶及微量絲炭，為半亮～半暗型煤，條帶結構，層狀構造，煤的無機組分以黃鐵礦為主，次為粘土礦物和石英。煤層平均厚度2.02 m，煤層硬度系數f 為2～4，煤層層理與節理發育程度簡單。煤層頂底板情況見表1。

根據工作面相鄰1111 巷掘進期間實際揭露的資料分析，沿掘進方向工作面前800 m 煤層整體呈1°～6°下山，800～1100 m 整體呈1°～2°上山，后600 m 整體呈3°～8°下山。1113 巷前800 m 掘進過程中揭露構造的可能性較小。

1.2 煤巷綜掘機直角拐彎開口設計

巷道在拐彎開口前，根據工作面實際情況，制定施工方案，根據綜掘機（快速掘進裝備）設備尺寸參數、巷道的寬度、開口方位位置及開口角度，拿出綜掘機（快速掘進裝備）拐彎開口施工曲線設計圖及錨桿錨索布置支護設計圖，并制定相應支護設計。以A 段巷道向B 段巷道拐彎為例，綜掘機（快速掘進裝備）拐彎開口設計中包含綜掘機（快速掘進裝備）拐彎開口跨度設計以及綜掘機拐彎開口期間A、B 兩條巷道支護設計，如圖1。

圖1 快速掘進裝備拐彎示意圖（mm）

綜掘機拐彎開口剩余10～15 m 前，需縮小A段巷道錨桿、錨索排距（在原基礎上縮小100～200 mm），調整錨索支護形式并加密錨索，以加強綜掘機拐彎開口期間A 段巷道的頂板管理。A 段巷道掘進至B 段巷道設計拐彎開口位置時，要變更B 段巷道開口處幫部支護情況，將高強錨桿、菱形網變為塑料錨桿及塑料網，便于綜掘機拐彎開口期間快速截割。綜掘機拐彎開口施工B 段巷道時，必須嚴格執行短掘短支，掘進一排、永久支護一排，同時縮小B 段巷道錨桿、錨索排距（在原基礎上縮小100～200 mm），并根據拐彎開口跨度情況合理布置錨索，以加強B 段巷道拐彎開口期間頂板管理。

2 工程實例

2.1 理論計算

通過理論計算，綜掘機直角拐彎開口需要滿足綜掘機機身中心線與現有巷道呈45°夾角時，綜掘機機身前后兩點間距應為綜掘機拐彎的最小距離，如圖2。

圖2 綜掘機拐彎開口跨度計算示意圖（m）

兩條巷道的拐角點必須過綜掘機機身的中點，根據以上兩個基本條件初步計算出拐彎開口位置，同時考慮綜掘機最寬部分（鏟板）寬度的一半，計算出實際的拐彎開口位置。

2.2 快速掘進設備參數

EJM270/4-2 掘錨一體機（1#機）外形尺寸：長×寬×高=11.9 m×4.6 m×3.1 m（機身前4 m 設備寬4.6 m，后3 m設備寬3.5 m）。截割滾筒寬4.9～5.4 m，兩側伸縮長度0.25 m；鏟板寬度4.5～5.4 m，兩側伸縮長度0.45 m。刮板輸送機溜頭長3 m，左右擺動夾角為45°。CMM5-20煤礦用液壓錨桿鉆車（2#機）外形尺寸：長×寬×高=11.9 m×4.4 m×3.1 m。

2.3 快速掘進裝備拐彎前準備工作

根據掘錨一體機設備外形尺寸與EBZ-260 綜掘機外形尺寸相比，掘錨一體機比綜掘機長1.3 m、寬1.1 m，考慮其拐彎半徑，前期需要準備工作：A段施工到位后，將掘錨一體機退后20 m 對右幫進行刷寬0.7 m 形成吊裝硐室，巷寬由5.4 m 增加為6.1 m；1#、2#機分家運輸，2#機緊靠A 段右幫，1#機拐彎刷擴時2#機做好接煤工作，自移機尾緊跟2#機運輸。

2.4 快速掘進裝備拐彎施工工藝

將掘錨一體機、錨桿鉆車、橋式轉載機分家→掘錨一體機配合錨桿鉆車進行拐彎并擺正→將錨桿鉆車、自移機尾開至A 段末端→安裝40T 溜子與錨桿鉆車進行搭接→40T 溜子運輸掘進40 m →拆40T 溜子→安裝電磁滾筒皮帶→施工B 段到位。

2.5 快速掘進裝備拐彎設計及拐彎方法

由于掘錨一體機截割臂無法左右擺動，只能通過調整掘錨一體機機身以“剃頭”方式進行刷擴，利用截割滾筒兩側伸縮滾筒進行進刀。考慮拐彎跨度增大，頂板支護困難，從安全角度考慮，掘錨一體機拐彎最大跨度按13.8 m 進行設計。

（1）拐彎曲線參數。先將掘錨一體機退后13.8 m，對巷道左幫刷擴開口，如圖3。在A 段及B 段口各安一組中線（中線左為0.8 m），根據原A段內中線來確定拐彎期間的弧度（中線距左幫的距離）。拐彎期間排距0.9 m 進行施工，即第一排跨度1.2 m，第二排跨度1.5 m，第三排跨度1.9 m，第四排跨度2.3 m，第五排跨度2.7 m，第六排跨度3.1 m，第七排跨度3.8 m，第八排跨度4.5 m，第九排跨度5.8 m，第10 排跨度6.3 m。拐彎開口施工作業6 m 后，巷道支護參數按照B 段支護設計穩步施工。

圖3 拐彎曲線示意圖（mm）

（2）掘錨一體機拐彎施工方法。掘錨一體機從A 段向左拐彎時，先將掘錨一體機退后至距B 段右幫13.8 m 處，而后采用掘錨一體機截割滾筒對左幫刷擴拐彎開口，將滾筒縮至4.9 m 擺動機身使左側滾筒緊貼煤壁，啟動滾筒后利用滾筒伸縮部分（0.25 m）進刀，進刀后上下擺動截割臂進行成巷，隨后采用“剃頭”方式向前移動機身并伸出大臂進行刷擴達規定寬度。期間及時核對中線確保跨度符合要求，拐彎跨度達不到掘錨一體機拐彎要求、掘錨一體機不能繼續向前刷擴時，采用人工使用風鎬對拐彎刷擴區域進行局部刷擴，或者將掘錨一體機退至進刀位置擺動機身重新“剃頭”達到要求，直到滿足掘錨一體機拐彎刷擴要求時，再進行拐彎刷擴。如圖4。

圖4 拐彎示意圖（mm）

掘錨一體機拐彎時，錨索要按照巷道跨度和原有錨索疏密分布進行布置。隨著掘錨一體機的施工，在1113 切巷開口處施工第一組錨桿錨索18 根（錨桿7 根、錨索7 根），間距850（800）mm，距原巷道左幫第一根錨桿500 mm；在距第一組錨桿錨索0.9 m 處施工第二組錨桿（14 根）；在距第二組錨桿0.9 m 處施工第三組錨桿錨索11 根（5 根錨索、6 根錨桿）；在距第三組錨桿錨索0.9 m 處施工第四組錨桿（9 根）；再繼續以0.9 m 排距施工兩組錨桿錨索后，巷道內錨桿錨索按照設計進行施工。如圖5。

圖5 拐彎錨索布置示意圖（mm）

2.6 其他

（1）由于1113 巷拐彎區間段傾角6°，左低右高，且滾筒為橫向，導致左幫開口刷擴期間破壞原支護。為不破壞原支護（重點為錨索），現場拐彎期間頂板留有0.3～0.4 m 泥巖需要人工刷擴。

（2）拐彎刷擴期間，對切巷老山側刷擴時，由于滾筒為橫向截割，導致老山跨度達不到掘錨一體機拐彎要求，需要人工使用風鎬對老山側局部三角區域進行刷擴，直到滿足切巷寬度。

3 應用效果

（1）工作面成型規整。綜掘機、掘錨一體機拐彎開口巷道一次成型，提高了質量標準化水平。

（2）施工工序相對簡單。綜掘機、掘錨一體機直接開口，簡化了掘進工藝，降低了勞動強度及生產材料消耗，取代炮掘人工開口拐彎難度，提高安全系數，有利于煤礦的安全管理。

（3）大幅提高生產效率。巷道拐彎開口機械化的實現，利用綜掘機及掘錨一體機實現拐彎開口再配合40T 溜子出矸，割煤裝煤一體作業，減少人工出渣勞動強度，生產效率提高幅度大。