掘錨一體機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)中的應(yīng)用研究

崔立德

（山西焦煤汾西礦業(yè)雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

隨著礦井綜合開采、掘進(jìn)技術(shù)及災(zāi)害治理能力的不斷提升，礦井煤炭生產(chǎn)能力得以快速增加[1-2]。采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的炮掘，可提高掘進(jìn)效率并降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。但是現(xiàn)階段礦井普遍使用的綜掘機(jī)掘進(jìn)、錨桿機(jī)支護(hù)圍巖方式仍存在輔助效率低、掘進(jìn)循環(huán)耗時(shí)長及作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。掘錨一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)破煤巖及巷道圍巖支護(hù)的同步開展，從而大幅降低圍巖支護(hù)耗時(shí)[4-5]。本文對山西某礦61103 運(yùn)輸巷掘進(jìn)使用的掘錨一體機(jī)應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以便為其他礦井回采巷道快速掘進(jìn)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

61103 運(yùn)輸巷沿著11 號(hào)煤底板掘進(jìn)，煤層埋深450 m、厚度3.5 m，傾角5°。運(yùn)輸巷為矩形斷面，寬×高=5.2 m×3.5 m，斷面積為18.2 m2，掘進(jìn)長度為1 900 m。已有地質(zhì)資料顯示，11 號(hào)煤層上覆基本為粉砂巖（厚度3.4 m）、直接頂為泥巖（厚度2.3 m）；直接底為泥巖（厚度1.2 m）、基本底為細(xì)砂巖（厚度3.9 m）。

受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，61103 運(yùn)輸巷掘進(jìn)位置地質(zhì)條件較為復(fù)雜，掘進(jìn)過程中受到圍巖巖性松軟、地應(yīng)力及煤層中部夾矸等影響。為了提高巷道掘進(jìn)效率，礦井將掘錨一體機(jī)應(yīng)用到巷道掘進(jìn)中。

2 掘錨一體機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)化

由于61103 運(yùn)輸巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為了提高掘錨一體機(jī)應(yīng)用效果，需要依據(jù)現(xiàn)場條件對掘錨一體機(jī)進(jìn)行針對性優(yōu)化。根據(jù)以往研究成果[6-7]，并結(jié)合掘錨一體機(jī)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，具體優(yōu)化集中在臨時(shí)液壓頂篷、阻擋落煤裝置、破煤方式等方面。

2.1 臨時(shí)液壓頂篷優(yōu)化應(yīng)用

由于61103 運(yùn)輸巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖承載能力較差。掘錨一體機(jī)截割破巖時(shí)圍巖自穩(wěn)時(shí)間較短，而機(jī)載臨時(shí)液壓頂篷由于有效支護(hù)范圍較小，無法完全支護(hù)掘進(jìn)區(qū)域頂板，因而極易導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭位置出現(xiàn)冒頂事故。因此，為了提高掘錨一體機(jī)安全保障能力，對臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體措施為：將掘錨一體機(jī)臨時(shí)支護(hù)改為“臨時(shí)頂板+千斤頂+耳子+銷子”構(gòu)造的臨時(shí)支護(hù)形式。改造后使用的千斤頂長度、寬度分別為1 500 mm、500 mm，有效支護(hù)面積較改造前增加約2.5 倍。臨時(shí)液壓頂篷優(yōu)化后示意圖，如圖1 所示。

圖1 臨時(shí)液壓頂篷優(yōu)化后示意圖

2.2 阻擋落煤裝置優(yōu)化應(yīng)用

由于61103 運(yùn)輸巷頂板巖層破碎，在掘錨一體機(jī)前進(jìn)過程中掘進(jìn)迎頭位置煤壁、頂板破碎矸石掉落下來可能會(huì)給附近作業(yè)人員身體安全帶來威脅。為此，本文提出在掘錨一體機(jī)上增加阻擋落煤及落矸的裝置，提高作業(yè)人員安全保障能力。具體優(yōu)化改造方式為：在優(yōu)化改造完成后的液壓頂篷下焊接斷面積50 mm×50 mm 的方形鋼板；在擋煤（矸）裝置上增設(shè)規(guī)格40 mm×40 mm 的方形插銷；在掘錨機(jī)下部位置布置Φ38 mm×1 300 mm 圓鋼，并在圓鋼上增設(shè)掛鉤，用于固定規(guī)格2200mm×10mm×200mm的木板。在掘錨一體機(jī)前移過程中，將擋煤（矸）裝置安裝在掘錨機(jī)前方槽體中，即可阻擋迎頭位置崩落的矸石及煤體；在截割時(shí)取下該裝置即可。

2.3 截割方式優(yōu)化

對掘錨一體機(jī)截割方式進(jìn)行優(yōu)化，具體截割路徑為：掘錨一體機(jī)截割頭置于掘進(jìn)迎頭煤壁中部位置，截割頭進(jìn)入煤壁1.0 m 后開始由上向下截割下部煤體；當(dāng)截割頭截割到幾班位置后，截割頭回撤1.0 m 并反復(fù)拉低確保底板平整；完成底部截割后前移掘錨一體機(jī)并對頂板、巷幫進(jìn)行支護(hù)；支護(hù)完成后開始截割巷道迎頭上部煤體。采用優(yōu)化后的截割方式，可降低頂板空頂時(shí)間，減少圍巖變形量。具體優(yōu)化后的截割方式如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的截割方式

3 掘錨一體機(jī)應(yīng)用效果

3.1 掘進(jìn)進(jìn)尺

61103 運(yùn)輸巷從開口位置布置掘錨一體機(jī)掘進(jìn)，對巷道掘進(jìn)進(jìn)尺進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道平均進(jìn)尺可達(dá)到20 m/d，掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到600 m/月，較普通綜掘方式的掘進(jìn)效率提升50%以上。

掘錨一體機(jī)在6 月開始投入使用，在使用初期由于作業(yè)人員對掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)賦存條件不熟悉，加之掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，從而導(dǎo)致巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均為10.5 m/d，掘進(jìn)速度較低；隨著對施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件熟悉度增加及對掘錨一體機(jī)進(jìn)行針對性優(yōu)化改進(jìn)，掘進(jìn)進(jìn)尺得以快速提升，到8 月時(shí)巷道綜合掘機(jī)進(jìn)尺可達(dá)到20 m/d，同時(shí)仍在緩慢地提升。在后續(xù)巷道掘進(jìn)過程中，掘錨一體機(jī)可保持600 m/月以上的掘進(jìn)進(jìn)尺。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

在61103 運(yùn)輸巷采用掘錨一體機(jī)后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。巷道原采用錨桿錨機(jī)施工綜合支護(hù)成本為3 780 元/m，采用掘錨一體機(jī)并對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后巷道綜合支護(hù)成本降低至3 105 元/m，成本綜合降低幅度為675 元/m。61103 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度為1 900 m，則綜合支護(hù)成本將減少128.3 萬元。

巷道采用的掘錨一體機(jī)綜合掘進(jìn)效率較綜掘機(jī)高50%以上，巷道掘進(jìn)減少人力成本約為19 萬元；同時(shí)61103 運(yùn)輸巷掘進(jìn)耗時(shí)不到4 個(gè)月即完成掘進(jìn)，有效緩解了礦井采掘接替緊張局面。

4 結(jié)語

61103 運(yùn)輸巷地質(zhì)條件復(fù)雜及頂板巖層破碎等因素是制約掘錨一體機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用的主要因素。為此，依據(jù)運(yùn)輸巷實(shí)際地質(zhì)條件對掘錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)及截割方式等進(jìn)行針對性優(yōu)化，具體為：通過對臨時(shí)液壓頂篷進(jìn)行改進(jìn)，增加了掘進(jìn)迎頭臨時(shí)支護(hù)面積，不僅可減少頂板下沉量，而且可避免出現(xiàn)頂板冒落問題；通過增加阻擋煤的裝置，可避免掉落的煤、矸石等給附近作業(yè)人員的安全造成影響；對截割頭截割方式進(jìn)行優(yōu)化，提高了截割效率。

現(xiàn)場應(yīng)用后，61103 運(yùn)輸巷綜掘掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到600 m/月以上，巷道耗時(shí)不到4 個(gè)月即完成掘進(jìn)，同時(shí)綜合支護(hù)成本較傳統(tǒng)的綜掘機(jī)降低128.3 萬元、人力資源成本降低19 萬元，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用成果。