司大為

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團(tuán)鮑店煤礦位于山東省鄒城市境內(nèi)，核定年生產(chǎn)能力600 萬(wàn)t。井田分為兩個(gè)水平，現(xiàn)生產(chǎn)-430 m 水平，主采3 層煤（3上、3下），礦井采用帶式輸送機(jī)主運(yùn)輸，軌道輔助運(yùn)輸。7302 綜放工作面長(zhǎng)2132 m、寬287 m，為全省智能化綜放采煤工作面，7302 主運(yùn)巷采用矩形斷面，斷面尺寸為6.5 m（寬）×4.55 m（高），煤層硬度f(wàn)=4，煤層密度1.28～1.30 t/m3。為有效提高煤巷掘進(jìn)效率，緩解該煤礦的采掘失衡問(wèn)題，針對(duì)鮑店煤礦特殊的地質(zhì)條件，以7302 主運(yùn)巷為研究對(duì)象，進(jìn)行了快速掘錨成套裝備設(shè)計(jì)及實(shí)踐應(yīng)用研究[1-2]。

2 快速掘錨成套裝備及工藝方案設(shè)計(jì)

針對(duì)7302 主運(yùn)巷特殊地質(zhì)條件，選用快速掘錨成套裝備，其總體結(jié)構(gòu)如圖1。該快速掘錨成套裝備由掘錨一體機(jī)和煤礦用液壓錨桿鉆車(chē)組成，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，具備伸縮滾筒上下截割、油缸推進(jìn)、步進(jìn)掘進(jìn)，以及全斷面、多工位錨桿（錨索）機(jī)械化支護(hù)等功能。同時(shí)，設(shè)備自帶安全監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，并在掘錨一體機(jī)上引用數(shù)字導(dǎo)向和泡沫除塵技術(shù)，其整體技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖1 快速掘錨成套裝備總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 掘錨同步設(shè)計(jì)

快速掘錨成套裝備采用掘錨一體機(jī)掘進(jìn)+部分錨桿支護(hù)作業(yè)，煤礦用液壓錨桿鉆車(chē)完成剩余錨桿、錨索支護(hù)作業(yè)的施工工藝。掘錨一體機(jī)和煤礦用液壓錨桿鉆車(chē)均具有自帶動(dòng)力和獨(dú)立行走功能，可實(shí)現(xiàn)煤巷工作面的連續(xù)切割掘進(jìn)、及時(shí)支護(hù)和物料的連續(xù)運(yùn)輸，能夠真正實(shí)現(xiàn)掘錨同步。

其具體實(shí)現(xiàn)方法是：掘錨一體機(jī)前部截割裝置通過(guò)截割大臂的上下舉升和前后滑移實(shí)現(xiàn)煤巷工作面的全斷面掘進(jìn)；截割裝置后端緊跟2 臺(tái)頂錨桿鉆機(jī)和2 臺(tái)幫錨桿鉆機(jī)，截割掘進(jìn)的同時(shí)，同步進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，及時(shí)確保煤巷圍巖的穩(wěn)定性；煤礦用液壓錨桿鉆車(chē)配有3 臺(tái)頂錨桿（錨索）機(jī)和2 臺(tái)幫錨桿機(jī)，用于補(bǔ)打頂錨桿、頂錨索和幫錨桿，達(dá)到掘錨同步目的。掘進(jìn)過(guò)程中，掘錨一體機(jī)上方設(shè)置的升降式護(hù)盾可臨時(shí)穩(wěn)定支撐掘進(jìn)工作面的煤巷頂板，確保操作人員的安全。該設(shè)計(jì)理念主要目的是優(yōu)化單個(gè)循環(huán)的掘進(jìn)時(shí)間和支護(hù)時(shí)間，在保證連續(xù)作業(yè)安全可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)圈蓋和支護(hù)協(xié)調(diào)作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）對(duì)煤巷圍巖的擾動(dòng)小，單個(gè)循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)設(shè)備原地不動(dòng)，無(wú)須住返行走，不會(huì)對(duì)底板造成二次破壞。

（2）掘進(jìn)與錨桿支護(hù)同步進(jìn)行，互不干涉，減少了輔助作業(yè)時(shí)間，煤巷頂板和兩幫得到及時(shí)支護(hù)，從而保證煤巷安全、高效連續(xù)掘進(jìn)。

（3）升降式護(hù)盾能夠減少空頂距，有效支撐未支護(hù)頂板，確保操作人員處在安全的工作環(huán)境下作業(yè)。

2.2 一次成巷設(shè)計(jì)

截割裝置采用可伸縮式大功率、低轉(zhuǎn)速截割滾筒結(jié)構(gòu)，可掘巷道寬度范圍為5.8～6.5 m，高度范圍為3.6～4.75 m，成型截面為矩形，巷道斷面一次成型。一次成巷的原理是：?jiǎn)蝹€(gè)掘進(jìn)循環(huán)周期內(nèi)，掘錨一體機(jī)和煤礦用液壓錨桿鉆車(chē)底盤(pán)處于制動(dòng)狀態(tài)，截割電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)截割減速機(jī)變矩后帶動(dòng)截割滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)切割煤層，截割大臂俯仰實(shí)現(xiàn)截割面上下截割，掏槽油缸前后推進(jìn)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)步進(jìn)，單次最大進(jìn)刀1 m，煤巷全斷面一次截割成型，擾動(dòng)小，成型質(zhì)量高。截割滾筒寬度與巷道設(shè)計(jì)寬度相匹配，不同的巷道寬度可通過(guò)更換截割滾筒伸縮部實(shí)現(xiàn)，截腳大臂內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)編碼器可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)設(shè)定截割高度，實(shí)現(xiàn)煤巷高度方向上的智能截割。

2.3 數(shù)字導(dǎo)向設(shè)計(jì)

快速掘錨成套設(shè)備在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)俯仰、橫滾和航向3 個(gè)維度上的偏差，以致偏離預(yù)定軌跡。以慣導(dǎo)技術(shù)與傳感器測(cè)量結(jié)合的數(shù)字化陀螺儀慣導(dǎo)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)間斷式測(cè)量方式，在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)構(gòu)建掘錨一體機(jī)狀態(tài)的三維坐標(biāo)模型，感知掘錨一體機(jī)自身狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)的自動(dòng)定位、糾偏、遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。

數(shù)字導(dǎo)向系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括慣性光纖陀螺儀、RMSD 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)軟件、無(wú)線(xiàn)通信控制盒和工業(yè)平板電腦等。其導(dǎo)向原理是：慣性光纖陀螺儀獲取車(chē)身三維偏移量和絕對(duì)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)（借助全站儀的初始對(duì)準(zhǔn)）后導(dǎo)入控制系統(tǒng)內(nèi)，作為里程推進(jìn)輸人量來(lái)控制實(shí)際推進(jìn)軌跡和理想巷道軸線(xiàn)的偏移量，保證巷道掘進(jìn)進(jìn)度在設(shè)計(jì)允許的范圍閾值內(nèi)。

數(shù)字化陀螺儀慣導(dǎo)技術(shù)可精確控制巷道中線(xiàn)偏移量，偏差精度≤5 cm。其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)是：（1）核心慣性測(cè)量單元測(cè)量精度和穩(wěn)定性的提高，從本質(zhì)上提高了系統(tǒng)性能，在無(wú)人工修正的情況下可實(shí)現(xiàn)200 m 內(nèi)連續(xù)精度保持。（2）能夠自主給出自動(dòng)導(dǎo)向所需的全部高精度信息，包括設(shè)備實(shí)時(shí)姿態(tài)和航向，以及巷道坐標(biāo)系內(nèi)的三維平移數(shù)據(jù)。（3）通過(guò)耦合傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)修正和補(bǔ)償履帶打滑空轉(zhuǎn)引起的干擾誤差。（4）可視化人機(jī)交互，操作方式簡(jiǎn)單，使用門(mén)檻低。（5）光學(xué)測(cè)量輔助校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高巷道整體的導(dǎo)向精度。

2.4 泡沫除塵設(shè)計(jì)

煤巷掘進(jìn)工作面粉塵主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是截割滾筒上的截齒對(duì)煤巖壓碎和摩擦產(chǎn)生的粉塵，二是煤巖掉落過(guò)程中與機(jī)械零件和地面碰撞產(chǎn)生的粉塵。與傳統(tǒng)的除塵技術(shù)相比，泡沫除塵效果更佳。

為改善掘進(jìn)工作面的工作環(huán)境，快速掘錨成套設(shè)備定制化研制了高倍數(shù)（80～120 倍）泡沫除塵系統(tǒng)。泡沫除塵的工作機(jī)理是：發(fā)泡劑在泡沫發(fā)生器內(nèi)受氣壓和水壓作用產(chǎn)生泡沫后，通過(guò)管路輸送到截割裝置的專(zhuān)用噴頭處，對(duì)掘進(jìn)工作面連續(xù)噴灑泡沫降塵。

2.5 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

相比于露天煤礦，井工煤礦巷道環(huán)境更加惡劣，掘進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖的工程結(jié)構(gòu)受力、地層壓力、有毒有害氣體等參數(shù)都在不斷變化，任何參數(shù)值達(dá)到極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生或大或小的災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，大多數(shù)煤礦安全事故中，除誘發(fā)因素外，安全監(jiān)測(cè)設(shè)備與預(yù)警技術(shù)的落后和不完善也是引發(fā)安全事故的重要原因。

快速掘錨成套裝備配備了一套數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化的有害氣體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。粉塵濃度檢測(cè)儀、甲烷檢測(cè)儀、一氧化碳傳感器及紅外二氧化碳傳感器等多種傳感器可對(duì)主要的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和采集，并傳輸給設(shè)備主控制系統(tǒng)，通過(guò)井下數(shù)字化信息平臺(tái)與調(diào)度室聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、分析、報(bào)警和主動(dòng)制動(dòng)，以及危險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、排查和處理，并按照《煤礦安全規(guī)程》要求，實(shí)行“三專(zhuān)兩閉鎖”，保證作業(yè)人員的安全。經(jīng)驗(yàn)證，氣體傳感器的穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)測(cè)誤差小，報(bào)警準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)與生產(chǎn)互不干擾，為在安全可靠的生產(chǎn)條件下提高生產(chǎn)效率提供了有力保障。其相關(guān)特性見(jiàn)表1。

表1 氣體傳感器特性

3 效果分析

快速掘錨成套裝備及工藝在鮑店煤礦7302 主運(yùn)巷的應(yīng)用中取得了顯著效果。支護(hù)方式采用6 根頂錨桿、根幫錨桿和2 根錨索，該套快速掘錨裝備在主運(yùn)巷累計(jì)完成進(jìn)尺5813 m，最高日進(jìn)尺92 m，最高月進(jìn)尺2020 m。該套設(shè)備大幅提高了煤巷掘進(jìn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了煤巷作業(yè)的安全、可靠和高效。

泡沫除塵系統(tǒng)啟動(dòng)之前，回風(fēng)巷的全塵平均濃度為320.18 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度為112.64 mg/m3；系統(tǒng)啟動(dòng)之后，全塵和呼吸性粉塵平均濃度分別降至74.48 mg/m3和18.88 mg/m3，除塵效率分別達(dá)到76.74%和83.24%，降塵效果理想。

4 結(jié)語(yǔ)

以鮑店煤礦7302 主運(yùn)巷為對(duì)象，進(jìn)行了快速掘錨成套裝備設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，實(shí)踐效果理想。全塵和呼吸性粉塵除塵效率分別達(dá)到76.74%、83.24%，最大日進(jìn)尺達(dá)92 m，最高月進(jìn)尺達(dá)2020 m，大幅度提高了煤巷掘進(jìn)效率，為同類(lèi)型煤礦的快速掘進(jìn)提供實(shí)例參考。