快速掘进成套系统装备在巷道中的应用分析

快速掘进成套系统装备在巷道中的应用分析

陈坤

（刘庄煤矿 安徽省 阜阳市 ）

摘要：为分析快速掘进系统成套装备在煤巷掘进过程中的适用情况，以刘庄煤矿150802胶带顺槽为研究背景，对快速掘进成套系统装备在掘进巷道期间的应用进行分析，及与传统的掘机设备进行比较。结果表明：刘庄煤矿150802胶带顺槽使用快速掘进系统成套装备进行掘进，相比传统掘进设备优势更为明显，具体体现在：支护占用时间较短，拉移机尾时间相对较短，作业环境得到明显的改善，受顶板岩性条件影响较小，实现了巷道掘进、支护、运输施工全部机械化，达到了“机械化换人”目的，大幅的降低了劳动强度，改善了劳动作业环境，提高了作业效率，进尺提升明显。并在快速掘进成套系统装备投入使用之后现场存在的问题，提出了针对性的改进意见，为煤巷快速掘进的推广具有重要的意义。

关键字：煤巷快速掘进；机械设备；掘锚一体机；施工工艺

引言

近年来，随着煤矿采煤技术和采煤方法不断更新，采煤机械化水平也不断提高，巷道锚杆支护理论与技术水平不断更加完善，并在国内外得到全面发展及应用，但是由于受地质条件及传统掘进设备影响，巷道掘进速度一直停留在较低的水平，使采掘接替矛盾日益紧张。巷道的掘进速度与煤巷掘进过程中各个工序紧密相关，目前国内外最新研制的掘锚一体化技术的关键设备—掘锚机在选型上需有很强的适应性，尤其是地质条件复杂（顶板条件、煤层倾角、岩石硬度、瓦斯、水等），使快速掘进掘锚一体化作业的推广使用得到限制。

我国巷道普遍采用综掘机配套单体锚杆钻机的工艺，极少采用快速掘进中掘锚一体化工艺，掘进机在工作一个循环后，需退至距掘进工作面后方开始进行人工支护作业，导致掘进作业耗时较大，掘进速度缓慢。很多研究学者针对采掘接替紧张做了很多的研究，但对于复杂地质条件下使用快速掘进系统成套装备进行掘进作业的研究较少。本文针对刘庄煤矿150802胶带顺槽为研究背景，对巷道投入使用快速掘进系统成套装备进行掘进作业期间的效果进行了分析，并提出了针对煤巷快速掘进系统成套装备掘进过程中所存在的问题的改进措施，对煤巷快速掘进的推广具有重要的意义。

1.工程概况

1.1 地质条件

150802胶带顺槽东临1508采区胶带上山，西接150802工作面切眼、南临150804工作面，北临150802工作面，上为151101工作面、151102工作面采空区。150802胶带顺槽设计长度1624m(平距)，在掘进过程中将揭露f151102-2断层，产状：269°∠70°H=2.7m、FL30断层，产状：85°∠70°H=3m，巷道埋藏较深，地压较大，煤层直接顶板多为泥岩，松散易碎、易冒落，稳定性较差。巷道断面形状设计为直墙斜顶断面，采用锚网索支护，顶板破碎时可按三心拱型断面破顶0.6-1m施工。其中，直墙斜顶断面宽度为5.8m，高度为4.2m。顶板破碎时可按三心拱型断面宽度为5.8m，高度为4.2m。

1.2 工程条件

150802胶带顺槽设计在掘进过程中采用锚网索支护形式，主要支护参数选择如下：

锚杆选用直径22mm，长度2500mm的无纵肋螺纹钢金属锚杆，间排距为800mm×800mm，每排18根锚杆。每根锚杆孔依次装入MSK2850型锚固剂、MSZ2850型锚固剂各1卷，锚杆生根在岩层中扭矩不小于300N·m，锚固力不小于100KN，生根在煤层中扭矩不小于200N·m，锚固力不小于50KN。

锚索选用Ф21.8mm的预应力钢绞线制作，L=9200mm，托板为300mm×300mm×16mm钢板，锚索间排距1600mm×1200mm。每根锚索使用1卷MSK2850型和2卷MSZ2850型树脂锚固剂，锚索锚固端应锚固在坚硬实体岩层中，施工锚索加压时，确保锚索预紧力不小于120KN/根。巷道支护支护布置如下图1所示。

（a）直墙斜顶断面

（b）直墙三心拱断面

图1 巷道支护断面布置

2.煤矿巷道快速掘进成套系统装备组成、功能及施工工艺

2.1快速掘进成套系统装备组成

150802胶带顺槽采用快速掘进成套系统装备进行掘进、带式转载机+皮带机出货，快速掘进成套系统装备主要由进锚护部分与连续运输部分组成。其中，上述成套快速掘进系统配套的组成部分及现场工作情况，如下图2所示：

图2 150802胶带顺槽工作面装备配套图

1、掘进锚护部：主要完成割煤、装煤、临时支护、打部分顶锚杆锚索等作业；

未投入使用（地面）

投入使用（井下）

2、连续运输部分由带式转载部和自移机尾部组合，实现重合搭接，搭接行程长，减少机尾移动次数。其中，机尾可自移，自动延伸带式转载机。

未投入使用（地面）

投入使用（井下）

2.2快速掘进成套系统装备功能及施工工艺

（1）掘进锚护部功能及施工工艺

满足定位截割巷道掘进尺寸要求(宽×高)：5.5/6.0×4.8/5.2mm；锚护系统、临时支护系统与掘进机高度集成，可实现掘进、锚护连续作业；掘进锚护部分的钻机采用滑轨方式，掘进机截割时钻机完全后退至截割部后方，不影响司机操作视线；采用可伸缩截割机构；具备临时支护功能，提高锚护作业安全性；采用可伸缩扇形铲板设计，减小装载机器调动，提高装载效率；锚杆钻机采用电液和遥控控制技术，具备锁紧锚杆功能；锚杆钻机有撑顶及夹钎机构，钻箱采用快插结构，退杆时夹钎机构与钻箱联动，实现快速自动退杆，效率高；配备掘进机自身液压驱动的增压泵系统，保证外喷雾系统压力不低于8Mpa。

双锚掘进机掘进工艺流程：安全检查→铲底出货、自移机尾延皮带机→掘进机掘进、出货→挂网、掘进机临时支护（迎头山墙超高进行施工山墙防片帮护网）（出货）→顶部锚杆支护（后方锚索支护同步进行）→帮部锚杆支护→收回液压钻机→进行下一循环施工（安全检查贯穿作业全过程）。

使用掘进机机身自配的临时支护装置进行临时支护施工工艺：在掘进截割完成后，迎头先预留足够的货，以保证人员有足够的作业高度，便于挂网。挂网时，施工人员站在支护完好的地点，先敲帮问顶找除浮矸活岩，同时安排专人看护顶板，确认安全后，将第一排锚网与支护好的锚网进行勾连，不能勾连的使用12#双股铁丝进行绑扎，再将第二排顶板2～3片锚网与H钢带采用12#双股铁丝与第一排锚网绑扎好，上台阶超高时，挂网可采用机载临时支护配合大板作为平台，必要时可使用专用叉子配合锚杆将锚网托起以便于出货，出完货后然后缓慢升起机载临时支护装置进行临时支护。

（2）迈步式自移机尾部功能及操作流程：

适应最小巷道尺寸要求(宽×高)：4.5m×3.2m；移动方便，可以自移，并具有调偏功能；与皮带转载部分搭接行程长，减少拉移次数，降低劳动强度；配备自移系统液压泵站系统，大大节约了施工时间及施工期间的安全性。

自移机尾延皮带机操作流程：1）将主电控箱隔离开关由“停止”打到“正”的位置。2）将各个急停开关拔出。3）此时，显示器显示界面为系统状态界面，无故障显示。 系统状态界面，无故障显示。4）按压主电控箱隔离开关处“启动”按钮并迅速按下“停止”按钮，观察电机转向。（正视电机风扇侧，电机应为顺时针转动。若电机反转，则将隔离开关由“停止”打到“反”的位置)。5）架体抬升：将“整体抬升”操作手柄推到“架体升”位置，在所有架体离开巷道底板后将操作手柄切换到“停止”位置。6）架体推移：将“整体拉移”操作手柄推到“推架体”位置，在推移油缸伸出到极限位置时，将操作手柄切换到“停止”位置。7）提起轨道：将“整体抬升”操作手柄推到“架体降”位置，8）在所有轨道离开巷道底板后将操作手柄切换到“停止”位置。9）轨道拉移：将“整体拉移”操作手柄推到“拉轨道”位置，在推移油缸收缩到极限位置时， 在推移油缸收缩到极限位置时，将操作手柄切换到“停止”位置。

重复5）—9）操作，实现整机架体与轨道的交叉迈步前移。

3.应用效果分析

刘庄煤矿150802胶带顺槽使用快速掘进系统成套装备进行掘进，其组成主要由掘进锚护部分与连续运输部分组成。相比传统掘进设备优势更为明显，具体体现在以下几个方面：

1）锚护系统、临时支护系统与掘进机高度集成，可实现掘进、锚护连续作业。增加的机载临时支护装置，有效的提高锚护作业的效率与安全性。普通综掘机施工时，人工铺设锚网、钢带、打液压点柱，劳动强度较大，且耗时需要25～30min。该掘进设备完成临时支护作业只需要10～15min，效率提高50%。

2）支护占用时间较短，尤其是在顶板越硬时，效果更为显著。矿用单体锚杆钻机单根锚杆支护时间为4分钟左右，锚索支护需要25分钟左右；机载钻机单根锚杆支护只需要2分钟左右，锚索支护需要15分钟左右，支护效率平均提升50%左右。

2）采用迈步式自移机尾，拉移机尾时间相对较短，耗时3-5分钟，而采用传统掘进设备一次拉移皮带机机尾耗时25分钟，且使用自移机尾时不需要施工地锚，降低了材料的消耗。

3）作业环境得到明显的改善，传统掘进设备在掘进过后，采用锚杆机进行施工锚杆，导致迎头噪声大，而该设备采用液压钻机施工时，迎头噪声几乎没有，大大改善了现场的作业环境。

4）提高了现场操作的安全性，采用该快速掘进设备，从迎头临时支护，到施工锚杆（索）永久支护，再到使用自移机尾拉移皮带机，全部实现及机械化，减少了人员的参与，大大提高了现场操作的安全性。

5）提高了巷道的掘进效率，在新设备投入使用之前，该巷道月度最大进尺为240m，通过一个月的磨合，进尺达到了301m，进尺效率大幅提高，且工人劳动强度大幅降低。

4.巷道快速掘进成套系统装备存在的问题及改进措施

150802胶带顺槽在投入使用快速掘进成套系统装备之后，不仅提高了巷道掘进速度，还降低了工人的劳动强度。但是，在掘进过程中依然存在以下几个问题，并针对性的提出了相应的改进措施。

（1）掘进机机身过宽（铲板宽度达到了4m），对巷道宽度要求高。

改进措施：整体缩小设备的尺寸，提高设备对巷道的适应能力。

（2）掘进机上自带的2个钻臂，无法适应锚索滞后的支护要求，导致掘进机后方的锚索还需要采用锚杆机进行施工。

改进措施：将2个钻臂进行改造，将2个钻臂改了4个钻臂，掘进机两侧各2个，且这2个钻臂是分开的，能同时一个向前一个向后移动，提高钻臂的利用率。

（3）钻臂所自带的操作平台尺寸过小，无法站立2人。

改进措施：增大操作平台的尺寸，使其能站立2人，一人操作设备一人换钎杆，提高施工效率。

（4）钻臂上无锚索张拉仪，锚索施工完毕后需接风管及锚索张拉仪进行张拉锚索，影响施工效率。

改进措施：在钻臂上安装锚索张拉设备，增强施工的连续性，减少施工工序的转换。

（5）自移机尾的适用坡度为<8°的巷道，对于坡度较大的上山不适应。

改进措施：对自移机尾的进行重新设计，坡度适用范围要广，提高设备对巷道的适应能力。

6. 使用该套设备后，迎头上台阶高度需施工在2.8-3.5m之间，上台阶高度高，山墙易片且该套设备无自带的山墙防片装置。

改进措施：针对该设备的掘进高度，需设计配套的山墙防片装置，确保施工安全。

5.结论

采掘技术、支护工艺及其装备水平直接关系到煤矿的安全生产能力。快速机械化掘进是安全高效矿井建设的主要内容，是矿井实施安全高效发展的重要技术途径。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向，在现场实际的应用当中只有不断的分析、总结，提高机械设备的利用率，才能真正做到矿井安全高效发展。

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