康 超

（山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司， 山西 太原 030500）

0 引言

在井下巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中由于地質(zhì)條件復(fù)雜、巷道掘進(jìn)工藝落后，已經(jīng)成為限制井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升的核心瓶頸，因此需要對(duì)井下巷道掘進(jìn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高巷道掘進(jìn)時(shí)的效率和安全性。目前巷道掘進(jìn)主要采用了掘進(jìn)機(jī)+錨桿鉆機(jī)聯(lián)合掘進(jìn)，中間巷道支護(hù)過程中耗費(fèi)大量的人力、物力，不僅效率低而且安全性差[1]。

針對(duì)現(xiàn)有井下巷道掘進(jìn)工藝的不足，本文從減少輔助作業(yè)時(shí)間入手，在對(duì)多種井下巷道掘進(jìn)方案進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，最終確定采用掘錨一體機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)，同時(shí)根據(jù)井下巷道的實(shí)際情況，對(duì)掘錨一體機(jī)結(jié)構(gòu)及截割方式進(jìn)行了優(yōu)化，滿足了在井下高速掘進(jìn)的需求。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的掘進(jìn)工藝能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M(jìn)效率提升2.06 倍，對(duì)提升井下巷道掘進(jìn)效率和安全性具有十分重要的意義[2]。

1 掘錨一體機(jī)改造方案分析

以煤礦井下典型的復(fù)雜地質(zhì)條件為例，井下巷道的埋深為390 m，巷道斷面尺寸為3 500 mm×5 200 mm，巷道的設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 700 mm，通過對(duì)掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)條件分析，井下煤層的平均厚度為5.6 m，在煤層內(nèi)含有一個(gè)夾矸層，夾矸層的平均厚度約為0.4 m，井下巷道頂板為細(xì)砂巖，平均厚度為3.2 m，巷道底板為泥巖，其平均厚度為1.3 m，整體地質(zhì)條件穩(wěn)定性相對(duì)不足，頂板的壓力大、圍巖強(qiáng)度不足，礦壓波動(dòng)大，因此在進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)需要重點(diǎn)注意巷道的穩(wěn)定性[3]。

由于巷道井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，因此在對(duì)迎頭空頂區(qū)域進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，無法保持長(zhǎng)時(shí)間的自穩(wěn)定性，目前掘錨一體機(jī)自帶的液壓頂棚支護(hù)面積不足，無法保證迎頭空頂區(qū)域的支護(hù)穩(wěn)定性，極易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿?。在?duì)掘錨一體機(jī)掘進(jìn)流程進(jìn)行分析后提出了對(duì)掘錨一體機(jī)的液壓頂棚支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的方案。首先將掘錨一體機(jī)上通過液壓氣缸控制的支護(hù)頂棚更改為由液壓千斤頂、臨時(shí)頂板組合的支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和控制靈活性，改造后的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

由圖1 可知，改造后的臨時(shí)頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)為1.5 m、寬度為0.5 m，其臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)面積達(dá)到了傳統(tǒng)液壓頂棚支護(hù)面積的2.3 倍，在掘錨一體機(jī)上設(shè)置了兩組液壓管道，由控制系統(tǒng)來對(duì)液壓千斤頂支護(hù)狀態(tài)的調(diào)整，在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)支護(hù)千斤頂升起進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，保證掘進(jìn)安全，當(dāng)進(jìn)行割煤作業(yè)時(shí)液壓千斤頂則收回，保證截割作業(yè)的正常進(jìn)行[4]。

井下巷道的圍巖結(jié)構(gòu)破碎性大，在進(jìn)行掘進(jìn)的過程中煤巖極易從煤壁上剝離，導(dǎo)致井下作業(yè)人員受傷，因此本文提出了一種新型的和掘錨機(jī)配合使用的擋矸裝置。該裝置設(shè)置到支護(hù)頂棚的下側(cè)，擋矸裝置的尺寸根據(jù)掘錨一體機(jī)的尺寸來設(shè)置。在擋矸裝置的上側(cè)設(shè)置一個(gè)尺寸為30 mm×30 mm 的方形插銷，在掘錨一體機(jī)的后側(cè)設(shè)置規(guī)格為30 mm×1 300 mm 的圓鋼，上面設(shè)置4 個(gè)掛鉤，用于設(shè)置擋護(hù)木板，木板的持續(xù)應(yīng)滿足擋護(hù)可靠性的需求。當(dāng)掘錨一體機(jī)在工作時(shí)將擋矸裝置安裝在掘錨一體機(jī)的方形槽內(nèi)，從而防止擋矸掉落后的傷人事故，該新型擋矸結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 擋矸裝置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2 自動(dòng)送網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了將巷道破碎頂板垮落的概率，在巷道掘進(jìn)過程中，通常需要人工托網(wǎng)上鋼帶，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且效率極低，因此為了滿足掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)的需求，在掘錨一體機(jī)上設(shè)置了自動(dòng)上托網(wǎng)裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 掘錨一體機(jī)自動(dòng)送網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

在掘錨一體機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，先由人工將金屬網(wǎng)設(shè)置在托網(wǎng)架上，然后通過驅(qū)動(dòng)裝置將托網(wǎng)架由裝網(wǎng)位置拖動(dòng)到托網(wǎng)機(jī)構(gòu)上，最后再由托網(wǎng)機(jī)構(gòu)將其頂起并進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上網(wǎng)和錨護(hù)，有效提升了上網(wǎng)的效率和安全性。

3 掘錨一體機(jī)截割方案優(yōu)化

為了滿足掘錨一體機(jī)的截割作業(yè)需求，結(jié)合煤礦井下巷道的實(shí)際情況，本文提出了一種新的掘錨一體機(jī)截割優(yōu)化方案[5]。首先把掘錨一體機(jī)的截割機(jī)構(gòu)調(diào)整到截割煤壁的中間位置，將截割機(jī)構(gòu)調(diào)整到切入煤壁1 m 的深度，然后再?gòu)纳蟼?cè)到下側(cè)對(duì)煤壁的下半部分進(jìn)行截割作業(yè)，直到截割到巷道底板位置后再將截割機(jī)構(gòu)向后退出1 m，對(duì)巷道底板進(jìn)行多次的拉低作業(yè)，最終截割到平整狀態(tài)。

當(dāng)巷道底板被拉平后，控制掘錨一體機(jī)前移并對(duì)巷道頂板和兩側(cè)幫進(jìn)行支護(hù)，然后再由上到下對(duì)煤壁上半部分的煤體進(jìn)行截割作業(yè)，把預(yù)留在煤壁上方的約200 mm 厚的頂板煤皮清掃干凈。反復(fù)的重復(fù)上面所述的截割方案，直到完成截割作業(yè)。該方案通過對(duì)割煤順序的優(yōu)化，有效提升了截割效率和出煤率，避免了在截割過程中的煤炭殘留，提高了綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化后的掘錨一體機(jī)截割方案如圖4 所示。

圖4 掘錨一體機(jī)截割優(yōu)化方案

4 井下應(yīng)用情況

目前該基于掘錨一體機(jī)的巷道快速掘進(jìn)工藝已經(jīng)在多個(gè)煤礦投入了應(yīng)用，為了對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)用前后的巷道掘進(jìn)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同掘進(jìn)方案掘進(jìn)效果對(duì)比示意圖

由圖5 可知，采用傳統(tǒng)的綜掘機(jī)施工方案，平均進(jìn)尺量約為10 m/d，當(dāng)采用新的基于掘錨一體機(jī)的巷道快速掘進(jìn)工藝后，井下巷道的平均解決速度增加到了20.6 m/d，平均掘進(jìn)效率提升了2.06 倍。優(yōu)化前的巷道平均支護(hù)成本為3 889 元/m，優(yōu)化后的巷道平均支護(hù)成本為3 217 元/m，比優(yōu)化前降低了17.3%，顯著提升了井下巷道的掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

1）由于巷道井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足易出現(xiàn)頂板垮落、碎石沖擊等異常，因此對(duì)掘錨一體增加液壓千斤頂支護(hù)結(jié)構(gòu)及擋矸裝置，提高在復(fù)雜巷道環(huán)境下的作業(yè)安全性；

2）新的掘錨一體機(jī)截割優(yōu)化方案通過對(duì)割煤順序進(jìn)行優(yōu)化，有效提升了截割時(shí)的效率和出煤率，減少了截割殘留。

3）新的掘進(jìn)工藝能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M(jìn)效率提升2.06 倍，將巷道支護(hù)費(fèi)用降低了17.3%，對(duì)于提升煤礦井下巷道掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。