王 冰，李海江

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

目前中國(guó)大多數(shù)礦井綜掘施工一般都采用懸臂掘進(jìn)機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)的作業(yè)方式，工序轉(zhuǎn)換頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度大，占用人員多，掘進(jìn)效率低，不符合掘進(jìn)“少人、高效、自動(dòng)、智能”的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)孟村煤礦受掘進(jìn)單進(jìn)水平低影響，礦井采掘接續(xù)關(guān)系緊張，成為制約礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的瓶頸。為加快掘進(jìn)速度，該礦于2020年10月引進(jìn)了美國(guó)久益環(huán)球公司生產(chǎn)的EJM2×170型掘錨一體機(jī)，大幅度提升了掘進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)化、自動(dòng)化水平，單隊(duì)掘進(jìn)綜合效率較之前提高近1倍。

1 EJM2×170型掘錨一體機(jī)概述

EJM2×170型掘錨一體機(jī)是適用于大斷面矩形煤巷掘進(jìn)的新型掘進(jìn)設(shè)備，通過全斷面橫軸滾筒割煤、掘支平行作業(yè)、集成多臂式支護(hù)作業(yè)平臺(tái)、多鉆機(jī)平行作業(yè)等手段，大幅提高割煤速度和支護(hù)效率；采用“時(shí)空立體交叉施工作業(yè)方法”，提高時(shí)間和空間利用率。

1.1 主要機(jī)器部件

該設(shè)備主要由截割部、鏟板部、第一運(yùn)輸機(jī)、本體部、行走部、后支撐部、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、錨桿機(jī)部、除塵系統(tǒng)、工作平臺(tái)及托網(wǎng)架構(gòu)成，如圖1、2所示。

1-截割部；2-鏟板部；3-幫錨桿機(jī)控制閥；4-行走部；5-行走電機(jī)；6-除塵風(fēng)機(jī)；7-后支撐油缸；8-變頻控制箱；9-運(yùn)輸機(jī)；10-頂錨桿機(jī)(×4)；11-截割電機(jī)；12-頂錨桿機(jī)操作平臺(tái)；13-截割升降油缸；14-側(cè)幫錨桿機(jī)(×2)；15-行走通道；16-電機(jī)泵組件；17-副油箱；18-電控箱；19-運(yùn)輸機(jī)升降油缸；20-運(yùn)輸機(jī)擺動(dòng)油缸圖1 EJM2×170型掘錨一體機(jī)設(shè)備布局Fig.1 Equipment layout of EJM2×170 bolter miner

圖2 EJM2×170型掘錨一體機(jī)組裝圖Fig.2 EJM2×170 bolter miner

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

EJM2×170型掘錨一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 EJM2×170型掘錨一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 掘進(jìn)巷道概況

2.1 巷道地質(zhì)條件

401103工作面回風(fēng)巷沿4號(hào)煤層(平均厚度23 m)中下部掘進(jìn)，埋深710～730 m，煤的視密度1.36 t/m3，真密度為1.47 t/m3。該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～1層夾矸，煤層傾角0～2.9°，平均傾角1.5°，普氏硬度系數(shù)為1.48，屬低變質(zhì)煙煤，黑色、條痕棕黑色，光澤較強(qiáng)，為瀝青光澤，條帶狀、均一狀、線理狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙不甚發(fā)育，裂隙被方解石脈或黃鐵礦薄膜充填，具貝殼狀、階梯狀斷口。

4號(hào)煤層為強(qiáng)沖擊傾向性煤層，401103工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間的沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)整體為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。參照鄰近巷道實(shí)際揭露情況，預(yù)測(cè)401103工作面回風(fēng)巷瓦斯涌出量為2.0 m3/min。礦井4號(hào)煤層屬Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為18 d；火焰長(zhǎng)度為100 mm，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度3.36 m，黑色，波狀層理，含鏡煤條帶，整狀，斷面平坦。直接底板為碳質(zhì)泥巖，厚度4.52 m，黑色，斷面光滑，放射狀條紋，瀝青光澤，含植物化石碎片。

2.2 巷道規(guī)格

401103工作面回風(fēng)巷斷面形狀為矩形，掘進(jìn)寬度5 500 mm、掘進(jìn)高度3 750 mm、掘進(jìn)毛斷面積20.62 m2，凈寬5 400 mm、凈高3 500 mm、掘進(jìn)凈斷面18.9 m2。

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

臨時(shí)支護(hù)：工作面采用機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，前支撐結(jié)構(gòu)采用油缸控制設(shè)計(jì)為前探梁結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)給托架、單向閥、支撐油缸、閥芯、控制閥、單向閥、互鎖閥、高壓油路過濾器、回油過濾器等組成。

永久支護(hù)：采用“錨網(wǎng)索+鋼帶+桁架梁”支護(hù)形式。根據(jù)掘錨機(jī)上機(jī)載錨桿鉆機(jī)的支護(hù)范圍，并通過理論計(jì)算和 FLAC 數(shù)值模擬計(jì)算等手段，優(yōu)化了巷道的支護(hù)參數(shù)。①錨桿。采用左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿。規(guī)格為MSGLW-500/22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×800 mm，錨深2 450 mm。每根錨桿使用2支MSK2335和2支MSZ2335型樹脂藥卷。錨桿托板均采用Q235鋼，規(guī)格150 mm×150 mm×12 mm。錨固力和扭矩力分別不小于100 kN和200 N·m，每排布置8根錨桿，如圖3、4所示。②錨索。頂板錨索采用“五四五”形式布置，其中“四索”之間采用槽鋼連接。一次支護(hù)只施工4根錨索，其余錨索在轉(zhuǎn)載機(jī)后方進(jìn)行二次支護(hù)。錨索采用延展率大于5%的1×19股-1860級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索，頂板錨索規(guī)格為φ21.8 mm×7 100 mm，間排距為1 200 mm×800 mm，錨深6 900 mm，每根錨索使用2支MSK2335和4支Z2335型樹脂藥卷。錨索配合槽鋼使用時(shí)托盤采用Q235鋼板，規(guī)格150 mm×150 mm×12 mm，其余錨索托盤為Q235碟形托盤，規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm。幫部支護(hù)短錨索規(guī)格為φ21.8 mm×3 500 mm，間排距700 mm×800 mm，錨深3 300 mm，每根錨索使用1支K2335和2支Z2335型樹脂藥卷，托盤采用GTR-M3鋼帶配套托盤，規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm。錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力不小于200 kN。③網(wǎng)片。鋪設(shè)1 500 mm×800 mm的鋼筋網(wǎng)，采用φ6 mm的Q235鋼筋加工而成，采用14號(hào)雙股鐵絲連接，三花綁扎間距為200 mm，網(wǎng)片連接方式為搭接，搭接長(zhǎng)度100 mm。④槽鋼參數(shù)。槽鋼型號(hào)為18b槽鋼梁，長(zhǎng)1 600 mm，眼距1 400 mm，眼長(zhǎng)100 mm，密度23 kg/m。⑤鋼帶。巷道頂板支護(hù)使用的鋼帶規(guī)格為WD280/3-5 100 mm，排距為800 mm。幫部支護(hù)使用的鋼帶規(guī)格為GTR-M3-1 600 mm，排距為800 mm。

圖3 巷道支護(hù)斷面Fig.3 Roadway support section

圖4 頂板支護(hù)平面布置Fig.4 Plane layout of roof support

3 超前卸壓措施

3.1 迎頭爆破卸壓

為了迎頭超前卸壓，專門在掘錨一體機(jī)上安裝了一臺(tái)ZQJC-2000/23.0S型氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)。該鉆機(jī)推進(jìn)結(jié)構(gòu)使用獨(dú)立的高效馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并配合多頭蝸桿渦輪傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)了大推力高效率，且可以實(shí)現(xiàn)豎直升降、水平360°、豎直360°全方位鉆孔。

每?jī)商焓┕ひ惠営^爆破卸壓孔，始終滿足掘進(jìn)工作面迎頭具有不小于4 m的超前卸壓距離。爆破卸壓孔，迎頭孔按3個(gè)孔布置，采用三花布置方式，使用φ32 mm藥卷，每孔裝藥6.5 kg，封孔長(zhǎng)度7.5 m，下部孔距離底板1.0 m，上部孔距離底板1.3 m，正三花與倒三花交替施工方式開展卸壓，采用三孔一放的方式進(jìn)行爆破，如圖5所示。

圖5 巷道迎頭爆破孔布置Fig.5 Layout of roadway head-on blasting holes

3.2 鄰近巷道超前卸壓

利用鄰近的401102工作面運(yùn)輸巷對(duì)401103工作面回風(fēng)巷迎頭前方煤體進(jìn)行超前卸壓。在401102工作面運(yùn)輸巷施工大直徑卸壓鉆孔，鉆孔單排布置，開孔位置距底板1.5 m，傾角4°～6°(鉆孔傾角根據(jù)401103工作面回風(fēng)巷層位變化及時(shí)調(diào)整，將大直徑鉆孔卸壓區(qū)域覆蓋401103工作面回風(fēng)巷待掘進(jìn)區(qū)域)，孔徑φ133 mm，孔深60 m。卸壓鉆孔超前401103工作面回風(fēng)巷迎頭10～20 m。如圖6所示。

圖6 卸壓鉆孔布置示意Fig.6 Layout of pressure relief boreholes

4 優(yōu)化掘進(jìn)工藝

4.1 掘進(jìn)工藝

巷道掘進(jìn)采用掘錨一體機(jī)割煤、落煤，截割滾筒一次掘全寬，掘錨一體機(jī)刮板機(jī)、二運(yùn)轉(zhuǎn)載機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，將迎頭截割落煤轉(zhuǎn)載到自移式帶式輸送機(jī)上。每循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺1.6 m，割煤用時(shí)15～20 min。在掘進(jìn)的同時(shí)，系統(tǒng)所搭載的6臺(tái)鉆機(jī)同步支護(hù)。通常4人操作掘錨一體機(jī)前排機(jī)載的4臺(tái)頂錨鉆機(jī)完成頂板6根錨桿和4根長(zhǎng)錨索的支護(hù)，2人操作掘錨一體機(jī)上2臺(tái)幫鉆機(jī)完成巷幫上半部3根短錨索支護(hù)。3人在掘錨一體機(jī)后方用氣動(dòng)錨桿機(jī)進(jìn)行二次支護(hù)，支護(hù)剩余的頂板錨桿(每排1根)和長(zhǎng)錨索(每排5根)、幫部下半部的短錨索(每排6根)。

4.2 改進(jìn)割煤工序

由于掘錨機(jī)截割滾筒直徑1 120 mm，若按照掘錨機(jī)原有割煤工序，巷道最小空頂距約為1.8 m。巷道空頂距較大，在頂板破碎、強(qiáng)沖擊地壓、過斷層等復(fù)雜條件下巷道圍巖情況破壞嚴(yán)重，影響巷道施工安全。因此，掘錨機(jī)割煤完成后將截割滾筒降下并插入到前方煤壁中，將巷道最小的空頂距縮減至0.7 m左右。

將巷道分為上、下兩半部分進(jìn)行割煤作業(yè)，先截割下半部分，后截割上半部分。首先，掘錨一體機(jī)截割滾筒退刀(a)，然后升刀從巷道迎頭煤壁中部進(jìn)刀割煤(b)，截割滾筒自上而下進(jìn)行割煤作業(yè)(c)，同時(shí)進(jìn)行拉底、出煤作業(yè)，平整好巷道底板(d)，之后前移掘錨機(jī)，將截割滾筒落地，開始進(jìn)行巷道支護(hù)作業(yè)(e)；待支護(hù)工作完成后，開啟截割滾筒自下而上截割上部煤(f)，再之后進(jìn)行掃頂作業(yè)(g)，最后將截割滾筒下降并藏刀至前方煤體內(nèi)(h)，如圖7所示。

圖7 割煤工序示意Fig.7 Coal cutting process

5 EJM2×170型掘錨一體機(jī)應(yīng)用效果

5.1 EJM2×170掘錨一體機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

高阻力臨時(shí)支護(hù)：掘錨機(jī)配備有高效的臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)，前探支架可以及時(shí)支護(hù)住空頂區(qū)域的頂板，使施工人員的安全得到很好的保證。機(jī)載液壓式臨時(shí)撐柱支護(hù)具有較高的初撐力，能夠給予圍巖表面提供一定支護(hù)強(qiáng)度，可減小頂板早期變形以及由于頂板屈曲下沉而導(dǎo)致的離層。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、快捷，整個(gè)操作由控制閥來完成，縮短了空頂時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

快速及時(shí)支護(hù)：機(jī)組割煤、出煤后，不需后撤掘進(jìn)機(jī)就可完成支護(hù)作業(yè)，省去了搬運(yùn)錨桿鉆機(jī)、拉風(fēng)水軟管的工序，減少了輔助作業(yè)時(shí)間，高強(qiáng)度、快速的臨時(shí)支護(hù)和錨桿永久支護(hù)能有效地減小頂板的早期位移、離層和兩幫變形，更好地保證圍巖穩(wěn)定性。

截割、支護(hù)效率高：掘錨一體機(jī)割煤作業(yè)的循環(huán)時(shí)間15～20 min，較懸臂式掘進(jìn)機(jī)割煤作業(yè)的循環(huán)時(shí)間80～100 min提高4倍以上。機(jī)組的4臺(tái)頂板液壓錨桿機(jī)和2臺(tái)側(cè)幫液壓錨桿機(jī)同時(shí)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，支護(hù)效率大幅提高，無需人員反復(fù)扛抬鉆機(jī)、持鉆，自動(dòng)鉆進(jìn)，省時(shí)省力。

改善作業(yè)環(huán)境：機(jī)組配置有濕式除塵系統(tǒng)和高壓噴霧系統(tǒng)，將截割滾筒產(chǎn)生的煤塵空氣經(jīng)前部吸風(fēng)口吸入除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行加濕，有效降低了掘進(jìn)機(jī)周圍的煤塵濃度，極大地改善了工人的作業(yè)環(huán)境。

5.2 應(yīng)用效果

通過采取優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、迎頭超前卸壓、優(yōu)化掘進(jìn)工藝等措施，掘錨一體機(jī)組克服了煤層厚、埋深大、地壓高、頂煤易離層冒落、迎頭沖擊危險(xiǎn)性系數(shù)高等系列難題，掘進(jìn)速度由原來EBZ200型機(jī)組150 m/月提高到了280 m/月，日均進(jìn)尺10 m，最高日進(jìn)尺達(dá)到15 m。掘進(jìn)效率由 0.14 m/工提高至0.26 m/工，工效提升80%以上。

6 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，EJM2×170型掘錨一體機(jī)有效提高了巷道的掘進(jìn)速度，大幅提升了掘進(jìn)人工效率。掘錨一體機(jī)將裝煤、運(yùn)煤及錨護(hù)工序全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，成巷速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全可靠性高。此次實(shí)驗(yàn)，成功地在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)了煤巷的高效快速掘進(jìn)，為同類地質(zhì)條件下應(yīng)用掘錨一體機(jī)提供參考，為煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供科技支撐。