掘錨一體機(jī)的快速掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

董 慶

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司掘進(jìn)開(kāi)拓辦公室,山西 大同 037003)

作為煤礦生產(chǎn)的重要前端環(huán)節(jié),巷道掘進(jìn)的主要難題是采掘失調(diào)[1]。目前巷道掘進(jìn)以懸臂式綜掘機(jī)配合單體錨桿鉆機(jī)方式為主,掘進(jìn)與支護(hù)在工作面有限空間進(jìn)行交替作業(yè)[2],鉆孔效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,工藝工序復(fù)雜,支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)[3],成巷效率較低,嚴(yán)重制約著巷道的快速掘進(jìn)。掘錨一體機(jī)配備圓柱體式滾筒,割煤高效,自身配備液壓錨桿鉆機(jī),掘進(jìn)與支護(hù)可平行作業(yè),煤巷掘支效率較高[4]。為滿(mǎn)足千萬(wàn)噸高效礦井建設(shè),大同礦區(qū)引進(jìn)掘錨一體機(jī)技術(shù),并在同忻、馬脊梁、馬道頭、燕子山等多座礦井試驗(yàn),突顯出掘錨一體機(jī)在煤厚快速掘進(jìn)中的一些影響因素[5],使機(jī)組的優(yōu)越性能不能充分發(fā)揮。針對(duì)這些因素,同忻礦采取本文一系列優(yōu)化措施,取得較好效果,對(duì)實(shí)現(xiàn)煤巷的快速掘進(jìn)具有非常好的借鑒作用。

1 工程概況

同忻礦C8#層北一盤(pán)區(qū)5104巷煤厚2.5 m～6.2 m,平均4.2 m;巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(jī)掘進(jìn)。巷道埋深500 m～510 m,上覆為C3#—C5#層采空區(qū)(2015年3月回采結(jié)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(zhì)泥巖；老頂厚14 m～20 m,巖性為粗、中、細(xì)、粉砂巖,炭質(zhì)、砂質(zhì)泥巖,含礫粗砂巖。巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),頂采用Φ20 mm×2 500 mm左旋無(wú)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(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 300 mm×1 000 mm,一側(cè)3根;頂采用Φ6 mm鋼筋網(wǎng)片、幫采用菱形金屬網(wǎng),錨桿托盤(pán)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(pán)250 mm×250 mm×16 mm,如圖1所示。

燕子山礦C3#層302盤(pán)區(qū)2212巷煤厚5.5 m～6.7 m,平均6.1 m;巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(jī)掘進(jìn)。巷道埋深400 m～420 m,上覆為4#層采空區(qū)(2018年10月回采結(jié)束),層間距20 m～25 m。偽頂厚0.8 m,巖性炭質(zhì)泥巖,直接頂厚6.45 m,巖性為泥巖、細(xì)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(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),頂采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無(wú)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(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,一側(cè)3根;頂錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm鋼絞線(xiàn),間排距為2 000 mm×3 000 mm,一排2根,錨索托盤(pán)250 mm×250 mm×16 mm。頂幫均采用菱形金屬網(wǎng),頂錨桿配W型長(zhǎng)鋼帶,規(guī)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(pán)110 mm×110 mm×10 mm,如圖2所示。

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

2 EJM2×170機(jī)組及主要特點(diǎn)

2.1 EJM2×170機(jī)組

EJM2×170掘錨機(jī)由截割系統(tǒng)、鏟裝系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防塵系統(tǒng)、工作平臺(tái)、支護(hù)鉆機(jī)及托網(wǎng)架構(gòu)成[6],如圖3所示。

圖3 EJM2×170掘錨一體機(jī)整機(jī)圖Fig.3 EJM2×170 tunneling and anchoring integrated machine

EJM2×170掘錨機(jī)機(jī)體總長(zhǎng)12.09 m,機(jī)身最大高度2.52 m,總質(zhì)量85 t,截割高度3.3 m～4.2 m,截割及鏟板寬度可根據(jù)巷道設(shè)計(jì)寬度定制。裝機(jī)總功率650 kW,其中截割電機(jī)功率2×170 kW,供電電壓AC1140V-50 Hz,其余參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 EJM2×170相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of EJM2×170 tunneling and anchoring integrated machine

2.2 主要特點(diǎn)

2.2.1割煤快，成型好

掘錨一體機(jī)截割滾筒為圓柱形,由三個(gè)截割滾筒、兩個(gè)伸縮滾筒和裝在滾筒端部?jī)蓚€(gè)端環(huán)組成,滾筒寬度可根據(jù)巷道設(shè)計(jì)寬度提前定制。掘進(jìn)時(shí)全斷面截割,割煤效率高、巷道成型好。切割部位參數(shù)如表2所示。

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

2.2.2支護(hù)快，質(zhì)量高

錨桿機(jī)部配備四臺(tái)頂板錨桿機(jī)、兩個(gè)側(cè)幫錨桿機(jī)和兩個(gè)操作平臺(tái)組成。頂板錨桿機(jī)位于鏟板后部,橫向排列布置,為錨桿作業(yè)提供全范圍的作業(yè)空間。通過(guò)配備的液壓錨桿鉆機(jī),動(dòng)力足,支護(hù)效率高,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè),大幅提高掘支效率。

2.2.3空頂距小

鏟板部是由主鏟板、側(cè)鏟板、伸縮側(cè)鏟板、護(hù)板、從動(dòng)輪裝置等組成。主鏟板采用犁式鏟板設(shè)計(jì),最大限度減小了空頂距,有力提高機(jī)組對(duì)頂板的適應(yīng)性,空頂距如圖4所示。

圖4 機(jī)組空頂距Fig.4 Unsupported roof distance of the machine set

3 影響快速掘進(jìn)的主要因素及調(diào)整措施

3.1 影響條件

3.1.1地質(zhì)條件

巷道地質(zhì)條件對(duì)掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)影響較大,掘錨一體機(jī)主要用于煤巷掘進(jìn),需要相對(duì)簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件[7]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),一是當(dāng)掘錨一體機(jī)遇頂板破碎時(shí),機(jī)頭處與工作面煤壁作業(yè)空間狹小,超前采取措施處理頂板問(wèn)題較為困難,不利于快速通過(guò)。二是當(dāng)巷道受斷層、沖刷等地質(zhì)構(gòu)造影響出現(xiàn)大面積硬巖時(shí),需要采取放震動(dòng)炮等輔助措施,對(duì)巷道快速掘進(jìn)影響也較大。

3.1.2控頂距

控頂距對(duì)巷道掘進(jìn)速度影響較大,但從安全方面考慮,必須合理確定巷道掘進(jìn)的控頂距[8],否則易出安全事故?？仨斁嗫刂戚^小時(shí),如采取一掘一支,則機(jī)組掘進(jìn)一個(gè)支護(hù)排距就必須停掘一次,等待一排支護(hù)的完成。根據(jù)巷道頂板情況在保證安全的前提下,適當(dāng)調(diào)大控頂距,有利于巷道的快速掘進(jìn)。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(huán)進(jìn)度為1 m,對(duì)掘錨一體機(jī)的性能充分發(fā)揮有一定影響。

3.1.3探巷環(huán)節(jié)

煤礦巷道掘進(jìn)堅(jiān)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(qū)各礦井條件不同,配備探巷設(shè)備也不同,先進(jìn)的探巷設(shè)備一次可探距離較長(zhǎng),探巷頻次也少,對(duì)巷道正常掘進(jìn)影響也就較小;但多數(shù)礦井采用的小型探巷鉆機(jī),一次探巷距離較小,探巷頻繁,占用掘進(jìn)時(shí)間較多[10]。如燕子山礦探巷鉆機(jī)日常僅能探測(cè)50 m～60 m,允許掘進(jìn)距離20 m～30 m,即每掘進(jìn)20 m～30 m探巷一次,探巷過(guò)于頻繁;同忻礦鉆機(jī)性能相對(duì)較好,但也需每100 m施工一個(gè)鉆機(jī)硐室,均對(duì)快速掘進(jìn)的實(shí)現(xiàn)有一定影響。

3.1.4巷道支護(hù)

在巷道掘進(jìn)中,支護(hù)時(shí)間占比達(dá)60%以上,過(guò)于保守的支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道的快速掘進(jìn)影響也較大。為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn),在確保安全的前提,應(yīng)合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù),簡(jiǎn)化工序。

3.2 實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的主要措施

1)選擇頂板條件簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的巷道。為充分發(fā)揮掘錨一體機(jī)的性能,同忻礦和燕子山礦都選擇頂板條件相對(duì)穩(wěn)定巷道,巷道兩側(cè)均為實(shí)體煤,無(wú)采動(dòng)影響,且處于采空區(qū)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(jìn)兩掘一支,循環(huán)進(jìn)度2 m,減少了停機(jī)次數(shù),縮短了割煤時(shí)間。

3)采用先進(jìn)探巷技術(shù)。為降低探掘交叉影響,同忻礦引入千米鉆探技術(shù),使5104巷每千米減少9個(gè)探水硐室,每月減少探巷次數(shù)7次,增加有效掘進(jìn)時(shí)間7個(gè)班次。

4)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)掘錨一體機(jī)支護(hù)鉆機(jī)布置位置,科學(xué)開(kāi)展支護(hù)參數(shù)優(yōu)化,同忻、燕子山均通過(guò)增大錨桿間距、調(diào)整布置樣式,實(shí)現(xiàn)每排減少1～3根錨桿,有效縮短了支護(hù)時(shí)間。

3.3 應(yīng)用情況

通過(guò)引進(jìn)掘錨一體機(jī)及采取一些列優(yōu)化措施,馬道頭、燕子山、同忻礦巷道掘進(jìn)速度及巷道成型均有大幅提升,主要如下:

1)循環(huán)作業(yè)。循環(huán)作業(yè)時(shí)間明顯縮短,同忻礦5104巷采用兩掘一支,循環(huán)進(jìn)度2 m,各工序時(shí)間明顯縮短,機(jī)組割煤時(shí)間由45 min降低至15 min,支護(hù)時(shí)間由135 min降低至40 min,減少了掃底及修巷工序,正規(guī)循環(huán)時(shí)間由210 min降低至55 min。如表3所示。

表3 5104巷循環(huán)作業(yè)工序各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Data comparison of cyclic operation process in 5104 roadway

2)巷道成型。掘錨一體機(jī)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(hù)橫成排豎成列,較懸臂式掘進(jìn)巷道成型有質(zhì)的提升,巷道成型如圖5所示。

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

3)單進(jìn)水平。燕子山礦受輔助運(yùn)輸及頂板淋水等條件影響,掘錨一體機(jī)未能充分發(fā)揮作用,但日進(jìn)尺由8 m增加至12 m,最高日進(jìn)18 m,單進(jìn)水平提高了0.5倍,月進(jìn)水平達(dá)到360 m～400 m。同忻礦5104巷單進(jìn)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(shí)現(xiàn)月進(jìn)807 m,單日進(jìn)尺最高34 m,創(chuàng)原同煤集團(tuán)石炭系煤巷進(jìn)尺最高記錄。

4 結(jié)論

1)掘錨一體機(jī)具有割煤速度快、掘支效率高的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)掘支平行作業(yè),可有效提高掘進(jìn)速度。

2)掘錨一體機(jī)的快速掘進(jìn),需要較好的地質(zhì)條件以及各相關(guān)環(huán)節(jié)、工藝工序等科學(xué)合理優(yōu)化,充分發(fā)揮出機(jī)組的高性能。