掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗研究

王晨升，　蘇芳

(大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同　037003)

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掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗研究

王晨升，蘇芳

(大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同037003)

針對傳統(tǒng)巷道掘進工藝存在掘進快、支護慢的難題，塔山煤礦引進了錨桿鉆車，開發(fā)了掘錨交叉綜掘工藝，并對其進行了工業(yè)性試驗研究。通過對工藝實施過程相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，得出結(jié)論：巷道開挖支護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。該工藝實現(xiàn)了減員10%，支護效率提高41%，掘進工效提高33.3%，可以推廣應(yīng)用。

掘錨交叉； 綜掘工藝； 錨桿鉆車； 支護； 礦壓觀測

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、支護工程量較大，巷道開拓主要采用綜合機械化掘進機與手持式單體錨桿鉆機相配套，施工速度緩慢，存在掘進快、支護慢的問題，采掘接續(xù)緊張[1-3]。因此，實現(xiàn)錨桿支護的快速施工是提高煤礦成巷速度的有效措施[4-6]。

塔山煤礦是一個千萬噸級礦井，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)準備的回采巷道的掘進一直難以跟上，造成了采掘難以正常接替、通風路線長、巷道維護成本高等問題[7]。為此，必須加快接替工作面回采巷道的掘進速度，而掘進速度又在很大程度受支護速度限制，所以，提出掘進與錨桿錨索支護交叉作業(yè)的掘錨交叉綜掘工藝[1]，這樣掘進機與錨桿鉆車在掘進工作面快速交叉掘進與支護，可以達到較高的掘進速度和較好的支護效果。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掘進工作面進行了工業(yè)性試驗。

1　試驗巷道的地質(zhì)條件

為確保工業(yè)性試驗的成功，成立了井下試驗小組，負責試驗的記錄工作，將鉆車整機通過副平硐運入2108掘進工作面，然后開始組織試驗。

2108掘進工作面煤層結(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。試驗巷道的地質(zhì)條件說明詳見表1、表2。

表1　2108掘進工作面概況

表2　2108掘進工作面掘進地質(zhì)條件

2　掘錨交叉綜掘工藝工業(yè)性試驗

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

(a) 掘進機工作示意

(b) 錨桿鉆車打頂幫示意

(c) 錨桿鉆車打側(cè)幫示意

2.2巷道礦壓效果測試

通過測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行錨桿支護后的工作狀態(tài)。根據(jù)圍巖變形特征，對錨桿鉆車鉆臂的扭矩進行及時調(diào)整，從而使巷道趨于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

2.2.1圍巖表面位移測試結(jié)果

觀測方法：采用巷道斷面十字交叉法觀測巷道表面位移，如圖2所示，分別測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)装濉蓭臀灰屏繙y點布置方法

測點布置：在巷道兩幫釘木楔布點，測點距底板1m，頂板巖石無法釘木楔時采用油漆噴點。

首先在巷道工作面處設(shè)置一排測點，向巷道后方間隔15m設(shè)置一排測點，以后隨巷道的掘進每隔15m設(shè)置一排測點，每個巷道內(nèi)共設(shè)置4組觀測點。2108掘進巷道共布置4個測站，測站布置如圖3所示。1號測站布置在距掘進工作面10m處(已掘巷道)，2號測站布置在掘進工作面處，隨著巷道不斷向前推進，每隔15m布置一處測站。

圖3　測站布置

連續(xù)對各測點進行了90d的監(jiān)測，各測站處巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏繙y試結(jié)果如圖4所示。

(a) 1號測站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測試結(jié)果

(b) 2號測站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測試結(jié)果

(c) 3號測站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測試結(jié)果

(d) 4號測站的頂?shù)装迮c兩幫位移量測試結(jié)果

由圖4可以看出，在采用錨桿鉆車進行錨桿錨索永久支護后，在90d觀測期內(nèi)，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?61.3mm，出現(xiàn)在4號測站處；兩幫最大位移量172.4mm，出現(xiàn)在1號測站處。巷道開挖支護后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，錨桿鉆車支護的穩(wěn)定性與安全性得到保證。

2.2.2巷道頂板離層測試結(jié)果

采用WYJ-1型多點位移計監(jiān)測巷道頂板離層。

巷道圍巖深部基點位移測試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，頂板1m測點的最大位移量為49.3mm，3m測點的最大位移量為37.2mm，5m測點的最大位移量為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，錨桿支護效果良好。測站布置范圍內(nèi)頂板整體下沉量不大，離層值均小于礦方要求的指標設(shè)計值，巷道層位的選擇和支護參數(shù)滿足要求，而且錨桿鉆車支護頂板預(yù)緊力得到了保證，離層得到有效控制。

圖5　巷道圍巖深部基點位移測試結(jié)果

2.2.3錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

錨桿受力采用MCS-400型錨桿測力計測量，測量量程為0～400kN(允許過載25%)，測量誤差為±4.0%(F.S.)，工作電壓為DC3.6V。與錨桿一起安設(shè)，反映錨桿在不同時期的受力情況。其安設(shè)位置在相應(yīng)的測站附近，觀測頻率同表面位移觀測。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。錨桿受力觀測是巷道礦壓觀測的重要內(nèi)容，通過觀測錨桿軸向力大小，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，評價巷道圍巖的穩(wěn)定性與安全性。錨桿(索)受力隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6　錨桿(索)受力隨時間變化曲線

從圖6可以看出，錨桿受力在掘進工作面后方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的托錨力，隨著時間的延長，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巷道掘進效果測試

掘錨交叉作業(yè)方式指掘進機后配套錨桿鉆車支護的作業(yè)線施工方式。傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式指掘進機與單體錨桿鉆機配套作業(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、施工準備→綜掘機割煤、出煤→掘進機后退→鉆車開進→臨時支護→支護頂錨桿和錨索→鋪幫網(wǎng)支護幫錨桿→鉆車收臂退出→掘進機開進→進行新一輪循環(huán)掘進和支護。

傳統(tǒng)綜掘作業(yè)的主要工序：交接班、安檢、施工準備→綜掘機割煤、出煤→掘進機后撤→敲幫問頂→上前探梁→鋪頂網(wǎng)、加固前探梁臨時支護→搬進錨桿鉆機→接風水管線→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→掘進機開進→進行新一輪循環(huán)掘進。

2.3.22種作業(yè)方式施工效果對比

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

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

從表3可看出，采用傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式，掘進隊一天需要60人，而采用掘錨交叉作業(yè)方式，掘進隊一天只需要54人，每天少用工6人，減員10%。

(2) 工效對比。在掘進斷面、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)方式工效對比見表4。

采用掘錨交叉作業(yè)方式時，錨桿鉆車在2108工作面使用期間，支護一根2.5m錨桿用時3min，支護一根8.3m錨索用時10min，完成2排支護用時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尺540m，與該隊5208工作面平均進尺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)方式工效對比

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

(3) 安全性對比。使用傳統(tǒng)單臂錨桿鉆機，開始支護和鋪網(wǎng)時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上，利用鉆車超前支架將網(wǎng)和鋼帶托起，支護時操作人員在上一循環(huán)永久支護下作業(yè)，徹底杜絕了空頂作業(yè)。

使用傳統(tǒng)單臂錨桿鉆機時，工作面人員集中，巷道幫支護只能滯后，片幫增大，巷道成型差，工人面對煤壁作業(yè)隨時會發(fā)生危險。使用錨桿鉆車支護時，工作面人員少，能夠?qū)崿F(xiàn)幫錨桿及時支護到工作面，并且工人在遠離煤壁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。

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

表5　2種支護手段工程質(zhì)量對比

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，鋼護板與煤壁不能緊密貼合，造成在錨桿緊固時錨桿螺扣外露長，甚至無扣，既不符合標準，又達不到預(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板緊貼煤壁，徹底解決了錨桿外露長和預(yù)緊力不夠的弊端，同時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。

單臂錨桿鉆機對錨桿初次預(yù)緊完全是通過人與鉆機反作用力完成，操作時鉆柄極易傷人。錨桿鉆車在使用中，只需操作液壓閥，安全、簡單、快捷。單臂錨桿鉆機在使用過程中，工人來回抬鉆，勞動負荷極大，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強度。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完成。

(4) 開機率對比。利用錨桿鉆車支護掘進機退后，可以保證機組檢修時間，保證了機組完好，大大提高了開機率。

(5) 管理方式對比。采用傳統(tǒng)綜掘作業(yè)方式時，掘進機每割1刀便要退出，然后搬進錨桿鉆機，開始永久支護。這種作業(yè)方式的主要弊端是掘進機頻繁地開進退出，錨桿鉆機依靠人工頻繁搬動，由于工序頻繁轉(zhuǎn)換，管理難度和工人勞動強度大，工時利用率低，空頂時間較長，對安全十分不利。而采用掘錨交叉作業(yè)方式就克服了上述缺陷，錨桿鉆車臨時支護裝置能夠有效實現(xiàn)對掘進工作面前方空頂破碎區(qū)的及時支護，同時僅需2人就可以操作鉆車，2個鉆臂同時鉆錨桿錨索眼，避免了工序的頻繁交接，管理簡單，減小了空頂時間，對頂板的合理維護十分有利。

3　結(jié)語

針對傳統(tǒng)巷道掘進工藝存在掘進快、支護慢的難題，塔山煤礦引進了錨桿鉆車，開發(fā)了掘錨交叉綜掘工藝。通過對錨桿鉆車支護過的巷道進行礦壓觀測可得知，在采用錨桿鉆車進行錨桿錨索永久支護后，在觀測期內(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設(shè)計值，錨桿鉆車支護頂板預(yù)緊力得到了保證，錨固力大為提高，離層得到有效控制。

相對于傳統(tǒng)巷道掘進工藝，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。在頂板情況不太理想的塔山煤礦，巷道掘進作業(yè)過程中減員10%，支護效率提高了41%，掘進工效提高了33.3%，安全性得到保證，實現(xiàn)了杜絕空頂、支護到位、及時預(yù)緊、操作方便、減少隱患、減人提效、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境、提高開機率等目標。

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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；責任編輯：張強。

同煤集團項目基金資助項目(HTGJZB-TM150510)。

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

TD263

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 10:13

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