基于掘錨一體機的巷道快速掘進工藝研究

康 超

（山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計院（集團）有限公司， 山西 太原 030500）

0 引言

在井下巷道掘進作業(yè)過程中由于地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道掘進工藝落后，已經(jīng)成為限制井下綜采作業(yè)效率進一步提升的核心瓶頸，因此需要對井下巷道掘進工藝進行優(yōu)化，提高巷道掘進時的效率和安全性。目前巷道掘進主要采用了掘進機+錨桿鉆機聯(lián)合掘進，中間巷道支護過程中耗費大量的人力、物力，不僅效率低而且安全性差[1]。

針對現(xiàn)有井下巷道掘進工藝的不足，本文從減少輔助作業(yè)時間入手，在對多種井下巷道掘進方案進行了分析的基礎(chǔ)上，最終確定采用掘錨一體機進行巷道掘進，同時根據(jù)井下巷道的實際情況，對掘錨一體機結(jié)構(gòu)及截割方式進行了優(yōu)化，滿足了在井下高速掘進的需求。根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的掘進工藝能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M效率提升2.06 倍，對提升井下巷道掘進效率和安全性具有十分重要的意義[2]。

1 掘錨一體機改造方案分析

以煤礦井下典型的復(fù)雜地質(zhì)條件為例，井下巷道的埋深為390 m，巷道斷面尺寸為3 500 mm×5 200 mm，巷道的設(shè)計掘進長度為1 700 mm，通過對掘進區(qū)域的地質(zhì)條件分析，井下煤層的平均厚度為5.6 m，在煤層內(nèi)含有一個夾矸層，夾矸層的平均厚度約為0.4 m，井下巷道頂板為細砂巖，平均厚度為3.2 m，巷道底板為泥巖，其平均厚度為1.3 m，整體地質(zhì)條件穩(wěn)定性相對不足，頂板的壓力大、圍巖強度不足，礦壓波動大，因此在進行巷道掘進作業(yè)時需要重點注意巷道的穩(wěn)定性[3]。

由于巷道井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，因此在對迎頭空頂區(qū)域進行掘進時，無法保持長時間的自穩(wěn)定性，目前掘錨一體機自帶的液壓頂棚支護面積不足，無法保證迎頭空頂區(qū)域的支護穩(wěn)定性，極易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿省Ｔ趯蝈^一體機掘進流程進行分析后提出了對掘錨一體機的液壓頂棚支護結(jié)構(gòu)進行改造的方案。首先將掘錨一體機上通過液壓氣缸控制的支護頂棚更改為由液壓千斤頂、臨時頂板組合的支護結(jié)構(gòu)，提高支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度和控制靈活性，改造后的支護結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型加強支護結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

由圖1 可知，改造后的臨時頂板支護結(jié)構(gòu)的長為1.5 m、寬度為0.5 m，其臨時支護結(jié)構(gòu)的支護面積達到了傳統(tǒng)液壓頂棚支護面積的2.3 倍，在掘錨一體機上設(shè)置了兩組液壓管道，由控制系統(tǒng)來對液壓千斤頂支護狀態(tài)的調(diào)整，在掘進作業(yè)時支護千斤頂升起進行臨時支護，保證掘進安全，當(dāng)進行割煤作業(yè)時液壓千斤頂則收回，保證截割作業(yè)的正常進行[4]。

井下巷道的圍巖結(jié)構(gòu)破碎性大，在進行掘進的過程中煤巖極易從煤壁上剝離，導(dǎo)致井下作業(yè)人員受傷，因此本文提出了一種新型的和掘錨機配合使用的擋矸裝置。該裝置設(shè)置到支護頂棚的下側(cè)，擋矸裝置的尺寸根據(jù)掘錨一體機的尺寸來設(shè)置。在擋矸裝置的上側(cè)設(shè)置一個尺寸為30 mm×30 mm 的方形插銷，在掘錨一體機的后側(cè)設(shè)置規(guī)格為30 mm×1 300 mm 的圓鋼，上面設(shè)置4 個掛鉤，用于設(shè)置擋護木板，木板的持續(xù)應(yīng)滿足擋護可靠性的需求。當(dāng)掘錨一體機在工作時將擋矸裝置安裝在掘錨一體機的方形槽內(nèi)，從而防止擋矸掉落后的傷人事故，該新型擋矸結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 擋矸裝置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2 自動送網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了將巷道破碎頂板垮落的概率，在巷道掘進過程中，通常需要人工托網(wǎng)上鋼帶，不僅勞動強度大而且效率極低，因此為了滿足掘錨一體機快速掘進的需求，在掘錨一體機上設(shè)置了自動上托網(wǎng)裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 掘錨一體機自動送網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

在掘錨一體機進行掘進作業(yè)時，先由人工將金屬網(wǎng)設(shè)置在托網(wǎng)架上，然后通過驅(qū)動裝置將托網(wǎng)架由裝網(wǎng)位置拖動到托網(wǎng)機構(gòu)上，最后再由托網(wǎng)機構(gòu)將其頂起并進行錨護作業(yè)，實現(xiàn)了自動上網(wǎng)和錨護，有效提升了上網(wǎng)的效率和安全性。

3 掘錨一體機截割方案優(yōu)化

為了滿足掘錨一體機的截割作業(yè)需求，結(jié)合煤礦井下巷道的實際情況，本文提出了一種新的掘錨一體機截割優(yōu)化方案[5]。首先把掘錨一體機的截割機構(gòu)調(diào)整到截割煤壁的中間位置，將截割機構(gòu)調(diào)整到切入煤壁1 m 的深度，然后再從上側(cè)到下側(cè)對煤壁的下半部分進行截割作業(yè)，直到截割到巷道底板位置后再將截割機構(gòu)向后退出1 m，對巷道底板進行多次的拉低作業(yè)，最終截割到平整狀態(tài)。

當(dāng)巷道底板被拉平后，控制掘錨一體機前移并對巷道頂板和兩側(cè)幫進行支護，然后再由上到下對煤壁上半部分的煤體進行截割作業(yè)，把預(yù)留在煤壁上方的約200 mm 厚的頂板煤皮清掃干凈。反復(fù)的重復(fù)上面所述的截割方案，直到完成截割作業(yè)。該方案通過對割煤順序的優(yōu)化，有效提升了截割效率和出煤率，避免了在截割過程中的煤炭殘留，提高了綜采作業(yè)的經(jīng)濟性。優(yōu)化后的掘錨一體機截割方案如圖4 所示。

圖4 掘錨一體機截割優(yōu)化方案

4 井下應(yīng)用情況

目前該基于掘錨一體機的巷道快速掘進工藝已經(jīng)在多個煤礦投入了應(yīng)用，為了對其實際應(yīng)用效果進行分析，對應(yīng)用前后的巷道掘進情況進行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同掘進方案掘進效果對比示意圖

由圖5 可知，采用傳統(tǒng)的綜掘機施工方案，平均進尺量約為10 m/d，當(dāng)采用新的基于掘錨一體機的巷道快速掘進工藝后，井下巷道的平均解決速度增加到了20.6 m/d，平均掘進效率提升了2.06 倍。優(yōu)化前的巷道平均支護成本為3 889 元/m，優(yōu)化后的巷道平均支護成本為3 217 元/m，比優(yōu)化前降低了17.3%，顯著提升了井下巷道的掘進經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

1）由于巷道井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足易出現(xiàn)頂板垮落、碎石沖擊等異常，因此對掘錨一體增加液壓千斤頂支護結(jié)構(gòu)及擋矸裝置，提高在復(fù)雜巷道環(huán)境下的作業(yè)安全性；

2）新的掘錨一體機截割優(yōu)化方案通過對割煤順序進行優(yōu)化，有效提升了截割時的效率和出煤率，減少了截割殘留。

3）新的掘進工藝能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M效率提升2.06 倍，將巷道支護費用降低了17.3%，對于提升煤礦井下巷道掘進效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。