全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)快速過斷層方案研究

李劍波

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

目前，煤礦開采作業(yè)中大多采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，該類型的掘進(jìn)機(jī)是采用斷面形工作方式，在巷道進(jìn)行作業(yè)時(shí)會(huì)使得煤礦生產(chǎn)受到限制。在近幾年的研究中，設(shè)計(jì)了適用于煤礦矩形巷道的掘進(jìn)機(jī)，該設(shè)備的研發(fā)為煤礦進(jìn)行開采帶來了很多的優(yōu)勢(shì)。

其中，傳統(tǒng)的盾構(gòu)圓形刀盤是無法進(jìn)行矩形截割斷面，需使用組合刀盤來進(jìn)行，這樣才能夠形成矩形斷面。目前廣泛采用的矩形掘進(jìn)機(jī)的組合刀盤是通過4 個(gè)小刀盤和1 個(gè)大刀盤組合而成，能夠完成一次全斷面截割。

1 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)概況

由我國(guó)設(shè)計(jì)的全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)，作為一種新式的全斷面型的作業(yè)設(shè)備，該設(shè)備的工作斷面參數(shù)為5.8 m×3.8 m，整個(gè)設(shè)備外形長(zhǎng)×寬×高為5.8 m×3.8 m×17.2 m，總質(zhì)量能夠達(dá)到320 t，如圖1 所示為整臺(tái)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，整臺(tái)設(shè)備的能夠分為前后兩部分，其中前面部分稱之為截割部，后面部分稱之為支撐平臺(tái)，前后兩部分之間是采用主梁和主推油缸構(gòu)成聯(lián)系，前半部分主要的作用是進(jìn)行截割裝載，后半部分的主要作用是提供反力的作用，也能夠?qū)ぷ鞣较蜻M(jìn)行控制，推拉油缸負(fù)責(zé)設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

圖1 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 矩形巷道成巷原理

該設(shè)備的截割系統(tǒng)是在具有封閉性的外殼上進(jìn)行構(gòu)建的，如圖2 所示，共裝配的刀盤有5 個(gè)。共分為1 個(gè)大刀盤和4 個(gè)小刀盤，大刀盤的位置在4 個(gè)小刀盤位置的前面，布置方式具有層次性，由于小刀盤在截割處的形狀呈矩形，所以在進(jìn)行作業(yè)后的斷面也是為矩形形狀，在巷道中有減速器、殼體、電機(jī)、傳動(dòng)箱等構(gòu)成截割部。進(jìn)行作業(yè)的方式是通過5 個(gè)刀盤銑削和盲區(qū)鏟齒作業(yè)協(xié)同下形成的斷面[1]。

圖2 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)布置圖

3 斷層分析及全斷面掘進(jìn)機(jī)過斷層的問題

通過對(duì)斷層的分析可知，斷層是將巖層進(jìn)行斷開后并產(chǎn)生滑動(dòng)后形成的。通過對(duì)傾角、傾向、走向的判斷來去確定斷層面。斷層可以分為平移斷層、逆斷層和正斷層。通過對(duì)巖石的硬度進(jìn)行考慮，又能夠?qū)鄬臃譃轫g性和脆性斷層。其中正斷層是指上盤從下盤的角度來講具有向下的滑動(dòng)位移。

通過在某礦22524 運(yùn)順采用該設(shè)備進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)。初步?jīng)Q定在巷道作業(yè)至580 m 的深度處對(duì)F54 進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)掘進(jìn)的過程中到達(dá)斷層位置處時(shí)，應(yīng)該通過定向鉆探設(shè)備進(jìn)行對(duì)斷層的探測(cè)。

F54 斷層也可以稱之為正斷層，順槽方向進(jìn)行作業(yè)，從斷層的上盤作業(yè)到下盤，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，22524 運(yùn)順巷當(dāng)進(jìn)行作業(yè)處距離大巷720.4 m 的位置處就會(huì)揭露F54 斷層。

通過采用傳統(tǒng)的連續(xù)采煤機(jī)和掘錨機(jī)過斷層，根據(jù)對(duì)實(shí)際工作的情況來分析，一般情況下都可以滿足通過的要求。全斷面矩形掘進(jìn)設(shè)備在煤礦中的應(yīng)用是由最近幾年研發(fā)的新設(shè)備，因?yàn)樵诠ぷ鞯倪^程中和傳統(tǒng)的設(shè)備工作方式有差別，所以考慮到截割原理的差異性，在實(shí)際工作的過程中會(huì)出現(xiàn)各種現(xiàn)象，應(yīng)該對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對(duì)性分析并且提出相應(yīng)的解決方案，從而能夠避免在通過斷層時(shí)遇到困難。

4 全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)過斷層方案

在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的過程中，要堅(jiān)持先探測(cè)后進(jìn)行掘進(jìn)的方案來進(jìn)行。當(dāng)掘進(jìn)的位置到達(dá)斷層228 m 位置時(shí)，應(yīng)該采用定向鉆機(jī)對(duì)其探測(cè)，從而能夠達(dá)到對(duì)斷層的相關(guān)位置信息進(jìn)行探測(cè)。

為了能夠確保在后續(xù)底板泥化中所產(chǎn)生的一些相關(guān)性維護(hù)現(xiàn)象，根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行留設(shè)底煤，通過在22524 運(yùn)順斷層探測(cè)相關(guān)情況來看，采用上下盤對(duì)截巖方式，通過對(duì)調(diào)坡距離等的相關(guān)參數(shù)調(diào)整，確保在進(jìn)行作業(yè)過程中坡度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

在掘進(jìn)過程中，需留設(shè)底煤0.5 m，在離37 m 處的斷層處進(jìn)行調(diào)坡掘進(jìn)作業(yè)，在剛開始的15 m 處通常采用1.5°～4.5°進(jìn)行作業(yè)，在每進(jìn)行5 m 對(duì)坡度進(jìn)行增加1°；在作業(yè)進(jìn)行到15～18 m 處時(shí)按照4.5°～5°進(jìn)行；當(dāng)掘進(jìn)18～42 m 處時(shí)，應(yīng)該采用5°進(jìn)行過斷層，當(dāng)?shù)竭_(dá)42.3 m 處時(shí)進(jìn)入下盤的位置處。然后，采用每進(jìn)行5 m 就下降1°，最終當(dāng)?shù)酌禾幱谡５姆秶鷥?nèi)時(shí)，結(jié)束工作[2]。

地測(cè)站通過參考設(shè)計(jì)時(shí)的位置以及設(shè)計(jì)角度等相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行防腰線，腰線的位置位于頂板1 m處。當(dāng)頂煤的高度在500 mm 以下時(shí)，經(jīng)過過斷層應(yīng)該采用錨桿、幫錨、短掘短支等實(shí)施支護(hù)，全斷面矩形設(shè)備幫網(wǎng)滯后的長(zhǎng)度應(yīng)該不能高于5 m 左右。

斷層位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖，如圖3 所示。在進(jìn)行巷道上坡作業(yè)時(shí)，當(dāng)頂煤不高于500 mm 時(shí)，在這種情況下，頂板通過使用W 鋼帶+柔性網(wǎng)+螺紋鋼錨桿+錨索采取支護(hù)措施，每排布置5 根頂錨桿，且保持每排的距離為1 m；在正幫處使用錨桿為玻璃鋼型，必須要滿足扭矩不能低于40 N·m 的要求。副幫采用的錨桿為圓鋼型，具體布置情況如圖3 所示。錨索選用的參數(shù)為Φ17.8 mm×8 000 mm，每排布置3 根且需要增加1 條W 鋼帶，保持每排的距離為2 m、2 m；當(dāng)出現(xiàn)頂板冒落的現(xiàn)象時(shí)，需要將錨索的排距進(jìn)行減小處理，具體設(shè)置為1～1.5 m 的范圍內(nèi)。

圖3 斷層位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圖（單位：mm）

通過對(duì)周邊地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，且考慮矩形快速掘進(jìn)機(jī)的作用進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，提出了相對(duì)應(yīng)的措施。

1）當(dāng)掘進(jìn)進(jìn)機(jī)載錨桿的位置處于工作面的4.7～5.7 m 時(shí)，由于空頂距比較大，確保頂板不會(huì)出現(xiàn)大面積的冒落現(xiàn)象，在揭露斷層時(shí)應(yīng)該進(jìn)行對(duì)斷層處增加高分子材料，增加頂板的穩(wěn)定性。因?yàn)楦叻肿硬牧现荒軌蛟陔x鉆孔1.5 m 處的范圍內(nèi)有效，根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算，單臂錨桿機(jī)鉆孔深度為8 m 時(shí)，當(dāng)角度往上20°，能夠有效地覆蓋整個(gè)頂板。然后通過柱塞泵的作用，進(jìn)行高分子材料的添加，等到一段時(shí)間凝固以后再進(jìn)行掘進(jìn)，增加作業(yè)的過程穩(wěn)定性。

2）對(duì)截割硬度和截齒消耗的現(xiàn)象進(jìn)行分析，通過矩形掘進(jìn)機(jī)器接收到的電流信號(hào)來對(duì)掘進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，出現(xiàn)截割電流較大時(shí)設(shè)備自動(dòng)停止操作，從而達(dá)到智能化設(shè)備，保證設(shè)備能夠安全可靠運(yùn)行；在過斷層過程中會(huì)出現(xiàn)截齒損耗大的現(xiàn)象，員工在進(jìn)行接班的時(shí)候要對(duì)截齒進(jìn)行檢查，從而能夠有效地保證充足的截齒備件進(jìn)行補(bǔ)充替換。在對(duì)截齒進(jìn)行更換時(shí)應(yīng)該將機(jī)器退到有支護(hù)的范圍內(nèi)，錨索支護(hù)采用隱形鎖具。

3）全斷面矩形掘進(jìn)設(shè)備在進(jìn)行截割時(shí)采用銑削，由于截齒和煤層接觸造成了截齒出現(xiàn)溫度高的現(xiàn)象。在過斷層時(shí)，對(duì)巖石進(jìn)行截割過程中應(yīng)該使用噴霧，再加上頂部注水進(jìn)行沖洗，有效地減緩了截齒的損耗，減小了對(duì)截齒更換的次數(shù)。

4）當(dāng)出現(xiàn)硬質(zhì)巖石的情況時(shí)，此時(shí)截割電流大，通常使用脈沖瞬間沖擊的方式進(jìn)行作業(yè)，能夠?qū)Ρ容^硬的巖石進(jìn)行突破。掘進(jìn)設(shè)備采用間歇的方式進(jìn)行，能夠有效地防止截齒溫度出現(xiàn)過高的現(xiàn)象，然后進(jìn)行快速截割，當(dāng)在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)硬質(zhì)巖石進(jìn)行沖擊，能夠起到巖石瞬間崩落的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）全斷面矩形快速掘進(jìn)設(shè)備在工作過程中的方式具有獨(dú)特性，從而滿足在銑削時(shí)均勻性的要求，對(duì)底層產(chǎn)生的負(fù)面影響比較小，從而有效地保證了過斷層期間的安全可靠性；

2）采用全斷面矩形掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)后的巷道效果比較顯著。采用的是全斷面封閉截割的方式進(jìn)行作業(yè)，并裝有通風(fēng)設(shè)備，在作業(yè)時(shí)通風(fēng)良好；

3）掘進(jìn)設(shè)備控制系統(tǒng)在整個(gè)過程中存儲(chǔ)了5 個(gè)刀盤的截割電流，為了能夠?qū)鄬拥膸r石硬度等的截割特性進(jìn)行研究；

4）在過斷層時(shí)，通過對(duì)巖石厚度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析來調(diào)整角度，達(dá)到了截割巖石的效果。

通過對(duì)全斷面矩形掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行工作試驗(yàn)研究后，為巷道掘進(jìn)過斷層提供了有效的經(jīng)驗(yàn)，也大大提升了巷道施工的質(zhì)量，為未來煤礦巷道掘進(jìn)提供了參考方向。

（編輯：王慧芳）