煤礦井下巷道掘錨一體化快速掘進技術探討

鄭建偉

（焦作煤業(yè)集團有限責任公司趙固一礦，河南 輝縣 453600）

引言

雖然井下在掘進過程中，整體的機械化水平提升增加，但是在掘進時，多數情況下選擇使用的是錨網索支護方式，這種支護方式雖然在淺部取得了較好效果，但是在深部支護時，表現了較多的不足，特別在進行錨桿支護的過程中，占據了掘進支護較多的時間，掘進效率下降明顯。從綜掘施工來看，錨桿鉆機在使用過程中，容易受到地質條件制約，如果頂板整體條件不好，在支護時，在較短的掘進距離情況下，就需要進行支護，導致掘進的速度非常慢。從傳統(tǒng)的使用單體錨桿鉆機來看，在輔助作業(yè)方面所需時間相對較長，巷道單進水平偏低，工人勞動強度相對較大，對巷道掘進帶來的負面影響明顯。選擇使用掘進和錨固一體化的方式，在進行支護時，可以實現掘進和支護平行作業(yè)，不僅可以提升掘進效果，還可以有效增強支護效果。

1 工程概況

趙固一礦巷道布置在3#煤層中，從開采地質情況來看，煤芯整體呈現出塊狀，整體較為堅硬，對于頂部煤芯呈現粉狀、塊狀，表1 為巷道頂底板情況圖。

表1 煤層頂底板情況圖

2 巷道掘錨一體化快速掘進技術優(yōu)勢

掘錨一體化快速掘進技術相對于其他技術有著較為明顯的優(yōu)勢。第一，實現了掘進和支護的一體化，巷道臨時支護和截割同步進行作業(yè)，截割整體穩(wěn)定性較強。第二，掘進和錨固實現了平行，將截割落煤與巷道進行永久支護在同個設備中采取并行作業(yè)的方式完成。第三，實現了快速截割，在截割落煤時，本次選擇使用的是伸縮滾筒，一次成巷的效果較好。整體成巷質量較高。第四，實現平行支護效果。選擇使用空間多維度同步支護的方式，巷道所需的永久支護，通過空間中多個設備多個工位平行作業(yè)完成。第五，達到了連續(xù)進行運輸的效果。在掘錨一體化快速掘進中，形成了多級連續(xù)運輸的方式，保證可以達到連續(xù)掘進，同時后續(xù)進行的支護作業(yè)同步跟進[1]。

3 掘錨一體化快速掘進集成配套技術

掘錨一體化快速掘進技術需要從環(huán)境、設備、人等方面實現深度融合，形成了一個相對完整的支護和掘進系統(tǒng)，并非使用傳統(tǒng)的單一功能掘進機、轉載機，見圖1。在具體工作的過程中，對于掘進作業(yè)、支護作業(yè)平行進行，同時，在截割、裝載及支護方面也實現了平行作業(yè)[2]。

圖1 掘錨一體化快速掘進技術配套

4 巷道掘錨一體化施工輔助設備

為了更好滿足煤礦復雜地質條件要求，本次在掘進的過程中，對割煤工序、液壓頂篷等環(huán)節(jié)的施工進行了全面提升，特別是在其中使用了煤壁落煤阻擋裝置，更好保證了掘錨一體化施工。首先是液壓頂篷加工，主要包含有千斤頂、頂板臨時支護及耳子等，見圖2[3]。

圖2 液壓頂棚加工圖

其次是煤壁落煤阻擋裝置。在掘錨機施工的過程中，為了防止出現崩落煤體給施工人員安全造成威脅的問題，本次增加了煤壁落阻擋裝置，見圖3。最后是掘進機進刀路線，見圖4。

圖3 煤壁落煤阻擋裝置

圖4 掘錨機割煤支護工序

5 巷道掘錨一體化快速掘進技術要點

5.1 技術特征

結合本次巷道所處位置的地質條件，本次掘錨一體化快速掘進機組最大掘進高度為4.9 m，最寬的掘進寬度為6 m，可以實現沿頂掘進的能力。同時，通過借助前部機載鉆壁、后鉆、機載手持液壓鉆的方式，可以達到對巷道進行全面支護的效果。鉆壁在旋轉時，可以達到無死角轉動，工作面錨索、錨桿孔和掘進工作面的探測鉆孔，可以實現機械化施工[4]。

在機身的兩側有可以前后移動的滑移機構，本次滑移的距離超過了4 m，確保在機組掘進的過程中不受任何影響。對于臨時支護機構，本次選擇使用支撐力超過20 kN，形狀為矩形且可以伸縮的臨時支護方式，保證支護效果。同時，在進行頂板支護時，支護體展開的寬度超過了2.8 m，對于臨時支護、站人操作平臺，本次設計采用一體支護方式，對于工作業(yè)人員施工較為便利。對于本次使用的掘錨機，鉆壁數量是四臺，包含有兩臺前部鉆機和兩臺液壓支腿鉆機[5]。

5.2 掘錨機施工工藝流程

掘錨機在本次施工的過程中，主要流程為：首先進行安全檢查，重點為巷道頂底板、兩幫、瓦斯含量、探頭位置等進行全面檢查，其次進行切割出煤，在出煤了之后，技術人員需要在現場開展安全檢查。對巷道開展永久支護，對于底板應當做好修整，反復進行上述操作。圖5 是掘錨機施工流程圖。

圖5 掘錨機施工作業(yè)流程圖

5.3 巷道支護參數與支護工藝優(yōu)化

首先，技術人員對巷道整體的支護參數進行全面的優(yōu)化，本次在支護時，選擇使用了較長錨固的錨桿，并配合錨索進行強化支護。對于巷道頂板，錨桿支護選擇使用φ22 mm×2.4 m 的高強度螺紋鋼錨桿，為了提升錨固效果，選擇使用樹脂加長錨固的方式進行強化，鉆孔設計為φ30 mm×2.5 m，錨固長度設計為1.2 m。同時，在本次支護的過程中，為了提升支護的整體性，增加了鋼筋托梁，主要使用鋼筋進行焊接，本次鋼筋選擇使用的是直徑為16 mm 的鋼筋[6]。

在具體支護時，為了提升錨桿支護效果，對于距離巷幫較近位置的錨桿，在打設時，控制角度與巷道呈10°，其他的位置均設計采用垂直布置的方式。網片在設置時，不同的網片之間設置為相互搭接的方式，搭接的長度超過0.1 m，搭接的位置選擇使用彎鉤鏈接。在設置錨桿時，間排距設置為900 mm×1 000 mm。在距離巷道兩幫較近的錨桿，設置距離兩幫的距離為0.25 m。對于錨索支護，本次設計采用單根鋼絞線錨索，長度為8.3 m，在具體錨固時，選擇使用樹脂錨固劑加長錨固的方式，鉆孔參數為φ30 mm×8.1 m，錨固長度設計為2 m。在錨索支護時，也配合使用了調心金屬托盤。錨索在打設時，方向與頂板垂直。錨索間排距設計為1.6 m×1.8 m。為了提升錨索支護的整體性，本次施工時，通過托盤上的眼和頂板錨索進行聯鎖[7]。

在進行巷道兩幫支護時，設計錨桿支護參數為φ22 mm×2.4 m，為了提升支護實效，選擇使用高強度錨桿，配合使用錨固劑，鉆孔參數設計為φ30 mm×2.5 m，錨固長度設計為1.2 m。在進行兩幫錨桿支護時，選擇使用W 型錨桿鋼護板與托盤，全面提升錨桿支護的整體性。錨桿在打設時，角度和巷道水平方向成10°，方向為朝上打設，其他位置的錨桿設計為與巷道垂直布置。網盤選擇為菱形金屬網護幫，網片之間進行相互搭接，搭接長度超過0.1 m。幫補錨桿設計間排距均為1 m，距離頂板最近的錨桿，距離頂板的距離設計為0.2 m，最下部錨桿距離底板的距離設計為0.8 m。幫部錨索設計采用鋼絞線，參數為φ22 mm×6.3 m，選擇使用樹脂加長錨固，配合使用錨固劑提升支護實效。在進行錨索設置時，錨索和巷道兩幫垂直布置。此外，為了提升錨桿、錨索的支護效果，對兩者在支護過程中的預緊力矩、預緊力及錨固力進行了全面強化，對于頂板的錨桿在打設時，預緊力矩應當不小于400 N·m，對于頂錨桿的錨固力應當不小于200 N·m。對于兩幫錨桿預緊力矩也應當不小于400 N·m[8]。

此外，對巷道支護工藝進行了全面優(yōu)化。優(yōu)化流程，見圖6。

圖6 巷道支護工藝流程優(yōu)化示意圖

6 工程效果

在本次選擇使用掘錨一體化支護技術后，對巷道掘進進行了四個月左右的掘進進尺分析，統(tǒng)計結果，見表2[9]。

表2 掘錨一體化支護技術掘進進尺統(tǒng)計

通過表2 可看出，相對于先前的支護技術，選擇使用了掘錨一體化支護技術后，巷道整體的掘進效率相對于先前有了明顯進步，這表明，選擇使用掘錨機可以有效的提升巷道掘進效率。

7 結論

綜上分析，本次選擇使用掘錨一體化設備，整體取得了較為顯著的效果，不僅取得了較好的掘進和支護效果，同時，現場整體施工效果得到了明顯的優(yōu)化。從本次施工的整體來看，不僅取得了較好的除塵效果，人員整體的安全性在高阻力支護的情況下，也取得了較好的保證，人工勞動強度也明顯下降。對于巷道傳統(tǒng)的掘進和支護工藝存在的局限較好突破，不僅取得了煤巷快速掘進的效果，整體的掘進效率也相對較高。