易瑞強

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業(yè)公司隸屬于陜西煤業(yè)化工集團(tuán)，礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地南沿，主采煤層埋深大、瓦斯高、片幫、底鼓嚴(yán)重。作為我國煤礦智能化開采的先行者，其所屬的4個礦井6個綜采工作面已全部實現(xiàn)智能化開采，但巷道掘進(jìn)依然采用“綜掘機+單體錨桿鉆機”的作業(yè)方式，月均進(jìn)尺僅270 m左右，掘進(jìn)工作面人員密集、勞動強度大，嚴(yán)重制約黃陵礦業(yè)公司安全高效生產(chǎn)。2018年起，黃陵礦業(yè)公司與中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司合作，踐行“機械化換人，自動化減人”總體要求，對掘進(jìn)工藝、成套掘進(jìn)裝備和勞動組織等進(jìn)行深度研究，成功研制了適用于中等復(fù)雜地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)系統(tǒng)，大幅度提升了掘進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)化、自動化水平，單隊掘進(jìn)綜合效率提高1倍以上。

1 黃陵快速掘進(jìn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

黃陵快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要包括低比壓型掘錨一體機、錨桿轉(zhuǎn)載機、可彎曲膠帶機、邁步式自移機尾，集成除塵、供電、控制通訊等子系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備、子系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動，一體化完成割煤、裝煤、破煤、運煤、支護(hù)、除塵等工序。低比壓型掘錨一體機全寬截割，機載6臺鉆機；錨桿轉(zhuǎn)載機破碎均勻轉(zhuǎn)載，機載6臺鉆機；可彎曲膠帶機和邁步式自移機尾組成柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)，完成截割落煤的連續(xù)轉(zhuǎn)載。系統(tǒng)總體參數(shù)見表1。

1-掘錨綜合機組；2-錨桿轉(zhuǎn)載機；3-可彎曲膠帶機；4-邁步式自移機尾；5-除塵系統(tǒng)

表1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)總參數(shù)

1.2 技術(shù)特點

黃陵快速掘進(jìn)系統(tǒng)基于大斷面高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)合黃陵礦區(qū)的特定地質(zhì)條件開發(fā)。該系統(tǒng)首次實現(xiàn)中等復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巷掘進(jìn)的掘、支、運一體化平行作業(yè)，掘進(jìn)效率成倍提高；采用寬履帶、輕量化技術(shù)，將掘錨一體機的接地比壓由0.27 MPa降低至0.2 MPa，采用交流變頻電牽引技術(shù)，實現(xiàn)快響應(yīng)、高扭矩啟動，提高了掘錨一體機對松軟底板的適應(yīng)性。同時，研發(fā)煤礦用全自動錨索鉆機，實現(xiàn)錨索鉆機鉆桿儲存、接桿、鉆孔、拆桿工藝的全流程自動化。集成遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)成套裝備按需維護(hù)和保養(yǎng)。

2 工作面概況

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

工業(yè)試驗在黃陵二號煤礦303膠帶巷實施，該掘進(jìn)工作面屬于礦井三盤區(qū)，位于黃陵縣雙龍鎮(zhèn)西北方向約3 km的西峪村內(nèi)，303膠帶巷位于黃陵礦區(qū)西部，工作面中部發(fā)育有一向斜構(gòu)造，軸向正北，前期勘探未見斷裂構(gòu)造及其他影響采掘活動的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2.2 煤層及圍巖

303膠帶巷內(nèi)2號煤為黑色塊狀，弱瀝青光澤，層狀構(gòu)造，條帶狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層厚度2.8～5.75 m，平均厚度4.2 m，厚度變化較穩(wěn)定，煤層近水平發(fā)育，傾角為0°～4°，平均為1°，煤層普氏硬度f為2～3。煤層下部有0～1層夾矸，夾矸普氏硬度f為3～5。煤層以暗煤為主，亮煤次之，絲炭少量，屬半暗型煤，自然發(fā)火期55 d，煤塵具有爆炸性。煤層頂?shù)装迩闆r見表2。該工作面順槽掘進(jìn)時正常涌水量為3～5 m3/h，最大涌水量為20 m3/h，瓦斯含量0.33～0.90 m3/t，平均0.54 m3/t，區(qū)域內(nèi)油型氣含量較高，開采煤層的直接頂?shù)装蹇紫抖鹊停焕诿簩託庖萆ⅰ?/p>

表2 煤層頂?shù)装迩闆r

2.3 巷道設(shè)計

303膠帶巷設(shè)計參數(shù)：寬度5.4 m，高度3.8 m，斷面面積20.52 m2，掘錨一體機沿巷道設(shè)計中心及煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

頂部支護(hù)：①錨桿布置。頂部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿并配合圓鋼托梁進(jìn)行支護(hù)，鋼筋托梁由φ16 mm圓鋼加工，長度5 000 mm，一梁六孔，每根圓鋼托梁施工6根錨桿，平均分布，靠幫處錨桿與頂板呈75°施工，其余錨桿垂直于巷道頂板施工，錨桿間排距為970 mm×1 000 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用一卷MSK2335和兩卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm。②錨索布置。錨索使用φ21.8 mm×7 300 mm十九芯鋼絞線，結(jié)合T140鋼帶施工，每根鋼帶施工4根，靠幫處頂錨索與頂板呈75°施工，其余錨索均垂直于巷道頂板施工。T140鋼帶“一梁四孔”，長5 000 mm，錨索間排距1 600 mm×2 000 mm，錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規(guī)格為80 mm×80 mm×10 mm。

幫部支護(hù)：采面?zhèn)葞筒坎捎忙?2 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排施工4根，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，上部第1根錨桿距離頂板300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm。煤柱側(cè)幫部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排施工5根，錨桿間排距750 mm×1 000 mm，靠近頂板幫錨桿距頂300 mm。錨固方式采用樹脂端部錨固，每根錨桿使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360樹脂藥卷，并壓金屬托盤，規(guī)格為200 mm×200 mm×12 mm。

3 掘進(jìn)工藝及應(yīng)用效果

3.1 掘進(jìn)工藝

掘支運一體化作業(yè)：①作業(yè)方式。掘錨一體機采用全寬滾筒截割，一次掘全礦，掘進(jìn)的同時，系統(tǒng)所搭載的12臺鉆機同步支護(hù)，掘錨一體機刮板機、錨桿轉(zhuǎn)載機刮板機和柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)載，將迎頭截割落煤轉(zhuǎn)載到順槽膠帶。②作業(yè)關(guān)鍵。掘支運一體化作業(yè)實效高效的關(guān)鍵在錨桿、錨索支護(hù)效率[1-3]，系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的迎頭支護(hù)模式，根據(jù)巷道圍巖條件和支護(hù)強度，綜合分析計算，以空間換時間，利用多排多臂支護(hù)工藝實現(xiàn)巷道錨桿支護(hù)的空間布局，支護(hù)作業(yè)由掘錨一體機和錨桿轉(zhuǎn)載機在空間不同工位完成，提高支護(hù)效率[4-7]。③任務(wù)分工。正常情況下，2人操作掘錨一體機前排機載的4臺頂錨鉆機完成頂板6根錨桿支護(hù)，2人操作掘錨一體機上2臺幫鉆機完成巷幫第一、二排幫錨桿支護(hù)(鋪設(shè)幫部金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng))，2人操作錨桿轉(zhuǎn)載機上4臺鉆機完成頂板4根錨索支護(hù)，2人使用錨桿轉(zhuǎn)載機完成第三、四排幫錨桿支護(hù)，如圖2所示。當(dāng)頂板破碎時，由掘錨一體機上2人隔排使用掘錨一體機完成2根頂錨索支護(hù)，其余由錨桿轉(zhuǎn)載機補支護(hù)。

圖2 支護(hù)任務(wù)分工

瓦斯鉆場施工：掘錨一體機正巷掘進(jìn)至鉆場位置，側(cè)偏開掘瓦斯鉆場，完成支護(hù)后，回歸正巷掘進(jìn)；前探鉆機行走至鉆場進(jìn)行探孔作業(yè)，實現(xiàn)掘進(jìn)與鉆探平行作業(yè)。綜合掘進(jìn)推進(jìn)速度、前探鉆進(jìn)速度、瓦斯抽放孔數(shù)量[8-13]，確定瓦斯鉆場間距為80 m，最大程度匹配掘、探工藝。

3.2 應(yīng)用效果

勞動組織：快速掘進(jìn)系統(tǒng)所在的303膠帶巷采用“三八制”作業(yè)。共計3個班組(檢修班、生產(chǎn)一班、生產(chǎn)二班)，檢修班負(fù)責(zé)檢修及準(zhǔn)備工作，兩個生產(chǎn)班分別為四點班和零點班負(fù)責(zé)掘進(jìn)。檢修班固定為8點班，其他兩個生產(chǎn)班每15 d進(jìn)行一次倒班，各班必要生產(chǎn)人員配置見表3。

表3 生產(chǎn)人員配置

掘進(jìn)進(jìn)尺：2019年2月，快速掘進(jìn)系統(tǒng)在黃陵二號煤礦303膠帶巷工作面安裝調(diào)試，3月開始工業(yè)性試驗，至9月份結(jié)束試驗，共歷時7個月。其中3～5月份進(jìn)尺分別為593 m、608.6 m、588.8 m，6月份根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)接續(xù)安排303膠帶巷停工，7～9月份分別完成進(jìn)尺624.7 m、603.5 m、611.7 m，工業(yè)性試驗期間總進(jìn)尺3 630.3 m。該期間快速掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)尺統(tǒng)計圖如圖3所示，除6月份停用外，快速掘進(jìn)系統(tǒng)在6個月的使用中整體運行平穩(wěn)，系統(tǒng)可靠性高。

圖3 快速掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)尺統(tǒng)計

應(yīng)用分析：快速掘進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)了全寬斷面快速掘進(jìn)、“掘支錨運”平行作業(yè)和遠(yuǎn)距離遙控操作，多排多臂同步支護(hù)工藝使支護(hù)工序平均時間降低30%，掘支運平行作業(yè)時間由不足25%提高至50%，改變了“掘進(jìn)機+單體錨桿鉆機”的傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝，與傳統(tǒng)綜掘(270 m/月)相比，掘進(jìn)速度提高1倍以上。

4 結(jié)語

黃陵快速掘進(jìn)系統(tǒng)的實踐，是以掘錨一體機為龍頭的快速掘進(jìn)系統(tǒng)的新創(chuàng)新和發(fā)展，成功的在中等復(fù)雜地質(zhì)條件下實現(xiàn)了煤巷的高效快速掘進(jìn)。該系統(tǒng)有效提升了快速掘進(jìn)系統(tǒng)的適應(yīng)性，為同類煤礦掘進(jìn)技術(shù)的升級換代提供了有益嘗試，為煤礦高效安全生產(chǎn)提供科技支撐。