王晨升，　蘇芳

(大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院， 山西 大同　037003)

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掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗(yàn)研究

王晨升，蘇芳

(大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院， 山西 大同037003)

針對(duì)傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)工藝存在掘進(jìn)快、支護(hù)慢的難題，塔山煤礦引進(jìn)了錨桿鉆車，開發(fā)了掘錨交叉綜掘工藝，并對(duì)其進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)研究。通過對(duì)工藝實(shí)施過程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出結(jié)論：巷道開挖支護(hù)60d后，左右圍巖日收斂速率小于0.1mm/d，說明巷道收斂已經(jīng)趨于穩(wěn)定，最大錨桿受力為206kN，最大錨索受力為305kN，均在安全范圍，錨固力大為提高，離層得到有效控制。該工藝實(shí)現(xiàn)了減員10%，支護(hù)效率提高41%，掘進(jìn)工效提高33.3%，可以推廣應(yīng)用。

掘錨交叉； 綜掘工藝； 錨桿鉆車； 支護(hù)； 礦壓觀測(cè)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160902.1013.010.html

0　引言

中國大部分煤礦以井工開采為主，掘進(jìn)、支護(hù)工程量較大，巷道開拓主要采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)與手持式單體錨桿鉆機(jī)相配套，施工速度緩慢，存在掘進(jìn)快、支護(hù)慢的問題，采掘接續(xù)緊張[1-3]。因此，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的快速施工是提高煤礦成巷速度的有效措施[4-6]。

塔山煤礦是一個(gè)千萬噸級(jí)礦井，為盡快投產(chǎn)帶來效益，綜采采區(qū)先投入生產(chǎn)，而盤區(qū)準(zhǔn)備的回采巷道的掘進(jìn)一直難以跟上，造成了采掘難以正常接替、通風(fēng)路線長(zhǎng)、巷道維護(hù)成本高等問題[7]。為此，必須加快接替工作面回采巷道的掘進(jìn)速度，而掘進(jìn)速度又在很大程度受支護(hù)速度限制，所以，提出掘進(jìn)與錨桿錨索支護(hù)交叉作業(yè)的掘錨交叉綜掘工藝[1]，這樣掘進(jìn)機(jī)與錨桿鉆車在掘進(jìn)工作面快速交叉掘進(jìn)與支護(hù)，可以達(dá)到較高的掘進(jìn)速度和較好的支護(hù)效果。為了研究該掘錨交叉綜掘工藝的應(yīng)用效果，在塔山煤礦2108掘進(jìn)工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)巷道的地質(zhì)條件

為確保工業(yè)性試驗(yàn)的成功，成立了井下試驗(yàn)小組，負(fù)責(zé)試驗(yàn)的記錄工作，將鉆車整機(jī)通過副平硐運(yùn)入2108掘進(jìn)工作面，然后開始組織試驗(yàn)。

2108掘進(jìn)工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為塊狀及碎塊狀，由暗煤及亮煤組成，半亮型，玻璃光澤。利用厚度為10.85～15.05m，平均厚度為12.72m，煤層傾角為3～5 °。煤層中含有6～8層夾矸，夾矸厚度為1.05～2.7m，平均厚度為1.96m，夾矸單層厚度為0.01～0.55m。夾矸巖性為灰褐色高嶺巖、灰白色高嶺質(zhì)泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部夾有深灰色粉砂巖。試驗(yàn)巷道的地質(zhì)條件說明詳見表1、表2。

表1　2108掘進(jìn)工作面概況

表2　2108掘進(jìn)工作面掘進(jìn)地質(zhì)條件

2　掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗(yàn)

2.1掘錨交叉綜掘工藝作業(yè)過程

掘錨交叉綜掘工藝作業(yè)過程如圖1所示。

具體施工工藝：掘進(jìn)機(jī)完成一次割煤循環(huán)作業(yè)后，后退8m貼幫停放，錨桿鉆車行駛到掘進(jìn)工作面，錨桿鉆車司機(jī)打開鉆臂，支護(hù)工在操作平臺(tái)上將鋼帶和金屬網(wǎng)鋪設(shè)在支架上，再用前探頂起護(hù)網(wǎng)并支撐頂板，鉆臂操作工調(diào)整鉆臂角度，按“一掘兩支”支護(hù)方式從頂?shù)綆鸵来毋@孔和進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，每個(gè)支護(hù)排距為0.9m，完成1.8m支護(hù)循環(huán)后，降下前探，收回鉆臂，退出工作面[8]。

(a) 掘進(jìn)機(jī)工作示意

(b) 錨桿鉆車打頂幫示意

(c) 錨桿鉆車打側(cè)幫示意

2.2巷道礦壓效果測(cè)試

通過測(cè)試巷道圍巖位移和錨桿受力，可比較全面地了解采用錨桿鉆車進(jìn)行錨桿支護(hù)后的工作狀態(tài)。根據(jù)圍巖變形特征，對(duì)錨桿鉆車鉆臂的扭矩進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而使巷道趨于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

2.2.1圍巖表面位移測(cè)試結(jié)果

觀測(cè)方法：采用巷道斷面十字交叉法觀測(cè)巷道表面位移，如圖2所示，分別測(cè)量同一斷面上巷道兩幫位移量及頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

圖2　頂?shù)装?、兩幫位移量測(cè)點(diǎn)布置方法

測(cè)點(diǎn)布置：在巷道兩幫釘木楔布點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距底板1m，頂板巖石無法釘木楔時(shí)采用油漆噴點(diǎn)。

首先在巷道工作面處設(shè)置一排測(cè)點(diǎn)，向巷道后方間隔15m設(shè)置一排測(cè)點(diǎn)，以后隨巷道的掘進(jìn)每隔15m設(shè)置一排測(cè)點(diǎn)，每個(gè)巷道內(nèi)共設(shè)置4組觀測(cè)點(diǎn)。2108掘進(jìn)巷道共布置4個(gè)測(cè)站，測(cè)站布置如圖3所示。1號(hào)測(cè)站布置在距掘進(jìn)工作面10m處(已掘巷道)，2號(hào)測(cè)站布置在掘進(jìn)工作面處，隨著巷道不斷向前推進(jìn)，每隔15m布置一處測(cè)站。

圖3　測(cè)站布置

連續(xù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了90d的監(jiān)測(cè)，各測(cè)站處巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏繙y(cè)試結(jié)果如圖4所示。

(a) 1號(hào)測(cè)站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測(cè)試結(jié)果

(b) 2號(hào)測(cè)站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測(cè)試結(jié)果

(c) 3號(hào)測(cè)站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測(cè)試結(jié)果

(d) 4號(hào)測(cè)站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測(cè)試結(jié)果

由圖4可以看出，在采用錨桿鉆車進(jìn)行錨桿錨索永久支護(hù)后，在90d觀測(cè)期內(nèi)，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?61.3mm，出現(xiàn)在4號(hào)測(cè)站處；兩幫最大位移量172.4mm，出現(xiàn)在1號(hào)測(cè)站處。巷道開挖支護(hù)后60d左右圍巖變形趨于穩(wěn)定，圍巖總體收斂量不大。后期的日收斂速率：頂?shù)装迤骄鶠?.08mm/d，兩幫平均為0.09mm/d，說明巷道收斂已經(jīng)趨于穩(wěn)定，錨桿鉆車支護(hù)的穩(wěn)定性與安全性得到保證。

2.2.2巷道頂板離層測(cè)試結(jié)果

采用WYJ-1型多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)巷道頂板離層。

巷道圍巖深部基點(diǎn)位移測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，頂板1m測(cè)點(diǎn)的最大位移量為49.3mm，3m測(cè)點(diǎn)的最大位移量為37.2mm，5m測(cè)點(diǎn)的最大位移量為24.6mm。頂板所形成的錨固體梁1m深處的位移為48mm，3m深處的位移為38mm，5m深處的位移為24mm，在錨固系統(tǒng)所允許的范圍之內(nèi)，錨固體是穩(wěn)定的。由此可見，錨桿錨固范圍內(nèi)的頂板離層值小于錨桿錨固范圍外的頂板離層值，錨桿支護(hù)效果良好。測(cè)站布置范圍內(nèi)頂板整體下沉量不大，離層值均小于礦方要求的指標(biāo)設(shè)計(jì)值，巷道層位的選擇和支護(hù)參數(shù)滿足要求，而且錨桿鉆車支護(hù)頂板預(yù)緊力得到了保證，離層得到有效控制。

圖5　巷道圍巖深部基點(diǎn)位移測(cè)試結(jié)果

2.2.3錨桿受力監(jiān)測(cè)結(jié)果

錨桿受力采用MCS-400型錨桿測(cè)力計(jì)測(cè)量，測(cè)量量程為0～400kN(允許過載25%)，測(cè)量誤差為±4.0%(F.S.)，工作電壓為DC3.6V。與錨桿一起安設(shè)，反映錨桿在不同時(shí)期的受力情況。其安設(shè)位置在相應(yīng)的測(cè)站附近，觀測(cè)頻率同表面位移觀測(cè)。幫錨桿、頂板錨桿和頂板錨索分別安置錨桿液壓枕來監(jiān)測(cè)錨桿、錨索受力狀況，共安設(shè)6套，安裝錨桿、錨索要施加一定的預(yù)緊力。錨桿受力觀測(cè)是巷道礦壓觀測(cè)的重要內(nèi)容，通過觀測(cè)錨桿軸向力大小，可全面地了解錨桿工作狀況，判斷錨桿是否發(fā)生屈服和斷裂，評(píng)價(jià)巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性。錨桿(索)受力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6　錨桿(索)受力隨時(shí)間變化曲線

從圖6可以看出，錨桿受力在掘進(jìn)工作面后方30m左右范圍內(nèi)增加最快，然后增加趨緩，最大206kN；錨索受力與錨桿類似，最大為305kN，均在安全范圍之內(nèi)。錨桿受力只代表巷道表面錨桿支護(hù)的托錨力，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，錨桿托錨力逐漸增加，但速率較小，為0.4kN/d。從錨桿受力來看，托錨力的大小與圍巖變形并不十分一致，表明巷道變形穩(wěn)定后有蠕變傾向。

2.3巷道掘進(jìn)效果測(cè)試

掘錨交叉作業(yè)方式指掘進(jìn)機(jī)后配套錨桿鉆車支護(hù)的作業(yè)線施工方式。傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式指掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線施工方式。

2.3.1掘錨交叉作業(yè)與傳統(tǒng)作業(yè)工序內(nèi)容

掘錨交叉作業(yè)的主要工序：交接班、安檢、施工準(zhǔn)備→綜掘機(jī)割煤、出煤→掘進(jìn)機(jī)后退→鉆車開進(jìn)→臨時(shí)支護(hù)→支護(hù)頂錨桿和錨索→鋪幫網(wǎng)支護(hù)幫錨桿→鉆車收臂退出→掘進(jìn)機(jī)開進(jìn)→進(jìn)行新一輪循環(huán)掘進(jìn)和支護(hù)。

傳統(tǒng)綜掘作業(yè)的主要工序：交接班、安檢、施工準(zhǔn)備→綜掘機(jī)割煤、出煤→掘進(jìn)機(jī)后撤→敲幫問頂→上前探梁→鋪頂網(wǎng)、加固前探梁臨時(shí)支護(hù)→搬進(jìn)錨桿鉆機(jī)→接風(fēng)水管線→打頂部錨桿孔并安裝錨桿→打側(cè)幫錨桿孔并安裝錨桿→打錨索孔并安裝錨索→搬出錨桿鉆機(jī)→掘進(jìn)機(jī)開進(jìn)→進(jìn)行新一輪循環(huán)掘進(jìn)。

2.3.22種作業(yè)方式施工效果對(duì)比

(1) 用工對(duì)比。掘錨交叉作業(yè)方式與傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式用工對(duì)比見表3。

表3　掘錨交叉作業(yè)方式與傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式用工對(duì)比　人

從表3可看出，采用傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式，掘進(jìn)隊(duì)一天需要60人，而采用掘錨交叉作業(yè)方式，掘進(jìn)隊(duì)一天只需要54人，每天少用工6人，減員10%。

(2) 工效對(duì)比。在掘進(jìn)斷面、凈斷面和煤硬度相同的條件下，掘錨交叉作業(yè)方式與傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式工效對(duì)比見表4。

采用掘錨交叉作業(yè)方式時(shí)，錨桿鉆車在2108工作面使用期間，支護(hù)一根2.5m錨桿用時(shí)3min，支護(hù)一根8.3m錨索用時(shí)10min，完成2排支護(hù)用時(shí)75min，比傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式節(jié)省40min，在工人操作不熟練的情況下完成進(jìn)尺540m，與該隊(duì)5208工作面平均進(jìn)尺378m相比，效率提高42.8%。

表4　掘錨交叉作業(yè)方式與傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式工效對(duì)比

由表4可知，采用傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式，掘進(jìn)隊(duì)掘進(jìn)工效為0.21m/工，而采用掘錨交叉作業(yè)方式，掘進(jìn)隊(duì)的掘進(jìn)工效為0.31m/工，掘進(jìn)工效提高了33.3%。

(3) 安全性對(duì)比。使用傳統(tǒng)單臂錨桿鉆機(jī)，開始支護(hù)和鋪網(wǎng)時(shí)人員都在空頂下作業(yè)，很容易發(fā)生頂板傷人事故，而錨桿鉆車操作人員站在鉆車平臺(tái)上，利用鉆車超前支架將網(wǎng)和鋼帶托起，支護(hù)時(shí)操作人員在上一循環(huán)永久支護(hù)下作業(yè)，徹底杜絕了空頂作業(yè)。

使用傳統(tǒng)單臂錨桿鉆機(jī)時(shí)，工作面人員集中，巷道幫支護(hù)只能滯后，片幫增大，巷道成型差，工人面對(duì)煤壁作業(yè)隨時(shí)會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。使用錨桿鉆車支護(hù)時(shí)，工作面人員少，能夠?qū)崿F(xiàn)幫錨桿及時(shí)支護(hù)到工作面，并且工人在遠(yuǎn)離煤壁1.5m的位置，通過操作錨桿車手臂完成，杜絕了片幫傷人，保證了巷道成型。

單臂錨桿鉆機(jī)扭矩小，錨桿緊固力一次不能達(dá)到設(shè)計(jì)的200N·m，工作面空間狹小，往往在下一個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)再由人工二次緊固。使用錨桿鉆車后，通過調(diào)整液壓參數(shù)設(shè)定壓力，能一次達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力，2種支護(hù)手段工程質(zhì)量對(duì)比見表5。

表5　2種支護(hù)手段工程質(zhì)量對(duì)比

塔山煤礦由于煤質(zhì)疏松、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成幫部成型差，幫錨桿安裝完全依靠人工操作，鋼護(hù)板與煤壁不能緊密貼合，造成在錨桿緊固時(shí)錨桿螺扣外露長(zhǎng)，甚至無扣，既不符合標(biāo)準(zhǔn)，又達(dá)不到預(yù)緊要求， 而錨桿鉆車鉆孔、安裝錨桿，緊固、卸帽、預(yù)緊完全依靠設(shè)備完成，通過鉆臂液壓油缸使鋼護(hù)板緊貼煤壁，徹底解決了錨桿外露長(zhǎng)和預(yù)緊力不夠的弊端，同時(shí)有效地控制了鉆孔深度和錨桿的排間距，從而提高了安裝質(zhì)量。

單臂錨桿鉆機(jī)對(duì)錨桿初次預(yù)緊完全是通過人與鉆機(jī)反作用力完成，操作時(shí)鉆柄極易傷人。錨桿鉆車在使用中，只需操作液壓閥，安全、簡(jiǎn)單、快捷。單臂錨桿鉆機(jī)在使用過程中，工人來回抬鉆，勞動(dòng)負(fù)荷極大，頂部的鋼梁固定、金屬網(wǎng)鋪設(shè)、錨桿的預(yù)緊都大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。上述工序在錨桿鉆車使用中則不存在，鋼帶固定、金屬網(wǎng)鋪設(shè)都由鉆車的前探支護(hù)完成。

(4) 開機(jī)率對(duì)比。利用錨桿鉆車支護(hù)掘進(jìn)機(jī)退后，可以保證機(jī)組檢修時(shí)間，保證了機(jī)組完好，大大提高了開機(jī)率。

(5) 管理方式對(duì)比。采用傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式時(shí)，掘進(jìn)機(jī)每割1刀便要退出，然后搬進(jìn)錨桿鉆機(jī)，開始永久支護(hù)。這種作業(yè)方式的主要弊端是掘進(jìn)機(jī)頻繁地開進(jìn)退出，錨桿鉆機(jī)依靠人工頻繁搬動(dòng)，由于工序頻繁轉(zhuǎn)換，管理難度和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工時(shí)利用率低，空頂時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)安全十分不利。而采用掘錨交叉作業(yè)方式就克服了上述缺陷，錨桿鉆車臨時(shí)支護(hù)裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面前方空頂破碎區(qū)的及時(shí)支護(hù)，同時(shí)僅需2人就可以操作鉆車，2個(gè)鉆臂同時(shí)鉆錨桿錨索眼，避免了工序的頻繁交接，管理簡(jiǎn)單，減小了空頂時(shí)間，對(duì)頂板的合理維護(hù)十分有利。

3　結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)工藝存在掘進(jìn)快、支護(hù)慢的難題，塔山煤礦引進(jìn)了錨桿鉆車，開發(fā)了掘錨交叉綜掘工藝。通過對(duì)錨桿鉆車支護(hù)過的巷道進(jìn)行礦壓觀測(cè)可得知，在采用錨桿鉆車進(jìn)行錨桿錨索永久支護(hù)后，在觀測(cè)期內(nèi)，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?61.3mm，兩幫最大位移量為172.4mm。巷道開挖支護(hù)后60d左右，圍巖變形趨于穩(wěn)定，日收斂速率小于0.1mm/d，說明巷道收斂已經(jīng)趨于穩(wěn)定，錨桿鉆車支護(hù)的穩(wěn)定性與安全性得到保證。頂板整體下沉量不大，離層值均小于礦方要求的指標(biāo)設(shè)計(jì)值，錨桿鉆車支護(hù)頂板預(yù)緊力得到了保證，錨固力大為提高，離層得到有效控制。

相對(duì)于傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)工藝，掘錨交叉綜掘工藝在安全、效率、作業(yè)環(huán)境方面都有很多優(yōu)點(diǎn)。在頂板情況不太理想的塔山煤礦，巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中減員10%，支護(hù)效率提高了41%，掘進(jìn)工效提高了33.3%，安全性得到保證，實(shí)現(xiàn)了杜絕空頂、支護(hù)到位、及時(shí)預(yù)緊、操作方便、減少隱患、減人提效、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境、提高開機(jī)率等目標(biāo)。

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Study on industrial test of fully mechanized fast excavation technology ofalternatingwithadvancingorbolting

WANG Chensheng，SU Fang

(SchoolofCoalEngineering,DatongUniversity,Datong037003,China)

Inviewofproblemsoffastexcavationandslowsupportingintraditionalroadwayexcavationtechnology,anchordrillrigwasintroducedinTashanCoalMine,fullymechanizedfastexcavationtechnologyofalternatingwithadvancingorboltingwasdeveloped,andindustrialtestofthetechnologywasstudied.Throughmonitoringrelatedparametersintechniqueimplementationprocess,thefollowingconclusionswasobtained:convergencerateofaroundsurroundingrockislessthan0.1mm/dafterroadwayexcavationsupport60d,explainsthatroadwayconvergenceisstabile,themaximumrockboltstressis206kN,anchorcableforceis305kN,allareintherangeofsecurity.Theconclusionshowsthatthetechnologycangreatlyimproveanchoringforceandcontrolabscissionlayer.Thetechnologyachieves10%attrition,improve41%supportefficiencyand33.3%drivageefficiency,whichcanbepopularizedandapplied.

alternatingwithadvancingorbolting;fullymechanizedfastexcavationtechnology;anchordrillrig;support;minepressureobservation

1671-251X(2016)09-0043-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.010

2016-03-24；

2016-05-18；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

同煤集團(tuán)項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目(HTGJZB-TM150510)。

王晨升(1985-)，男，山西大同人，講師，碩士，現(xiàn)主要從事礦山機(jī)械方面的研究工作，E-mail:15835218961@163.com。

TD263

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:13

王晨升，蘇芳.掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗(yàn)研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：43-47.