煤礦快速掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備配套優(yōu)化研究

劉曉強(qiáng)

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

巷道的掘進(jìn)效率在一定程度上決定綜采工作面的開采效率，掘進(jìn)工作面受掘進(jìn)設(shè)備、掘進(jìn)工藝、支護(hù)效果以及相關(guān)配套機(jī)械設(shè)備等因素的影響。不同煤礦的地質(zhì)、水文以及巖層等情況不同，實(shí)現(xiàn)其快速掘進(jìn)所采用的工藝、支護(hù)措施以及相關(guān)配套機(jī)械設(shè)備的性能各不相同[1]。本文以某煤礦為例，針對(duì)其工作面實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)工藝、支護(hù)措施以及配套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行研究。

1 工程概述

某煤礦目前可供開采的煤層包括有3 號(hào)、4 號(hào)、13 號(hào)、15 號(hào)煤層，總開采面積為12 km2，該煤礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 t/a。某煤礦開采煤層的平均厚度為5.9 m，不穩(wěn)定煤層所占比例較多。本文著重對(duì)某煤礦15 號(hào)煤層工作面進(jìn)行研究，該工作面煤層厚度為4.25 m，屬于穩(wěn)定煤層。15 號(hào)煤層工作面瓦斯的絕對(duì)涌出量為4.55 m3/min。15 號(hào)煤層的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

經(jīng)分析探測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，15 號(hào)煤層工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水量為31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統(tǒng)的最大排水能力為45 m3/h。

2 實(shí)現(xiàn)工作面快速掘進(jìn)的關(guān)鍵措施

巷道的掘進(jìn)屬于工作面開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前工作面可采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)和巖巷鉆爆法完成掘進(jìn)任務(wù)。經(jīng)研究可知，影響工作面快速掘進(jìn)的主要因素包括有鑿巖效率、支護(hù)效果以及刮板卡鏈等。其中，鑿巖效率影響快速掘進(jìn)的影響因子為0.328，支護(hù)效果影響快速掘進(jìn)的影響因子為0.237，刮板鏈等事故影響快速掘進(jìn)的影響因子為0.179[2]。

表1 15 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

2.1 巷道支護(hù)措施

巖層掘進(jìn)的支護(hù)問(wèn)題比綜采工作面的支護(hù)相較更復(fù)雜，根據(jù)15 號(hào)煤層的頂?shù)装迩闆r，結(jié)合巖巷支護(hù)經(jīng)驗(yàn)。15 號(hào)煤層工作面采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式，具體支護(hù)參數(shù)為：錨桿直徑為18 mm，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，錨桿預(yù)緊力為60 kN；錨索直徑為18 mm，錨索長(zhǎng)度為6 m，錨索預(yù)緊力為120 kN。

為驗(yàn)證初確定錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)對(duì)巖巷圍巖控制效果，本文基于FLAC3D 軟件建立15 號(hào)煤層工作面的模型，并將支護(hù)參數(shù)設(shè)置于模型中對(duì)最初支護(hù)參數(shù)的圍巖控制效果進(jìn)行仿真分析。經(jīng)仿真分析可知：當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)3 m 時(shí)，巖巷變形主要集中于肩部0.25 m 和右?guī)?.2 m 的位置；當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)6 m 時(shí)，巖巷變形主要集中在左肩0.23 m 的位置；當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)至9 m 時(shí)，巖巷變形同樣集中在左肩0.23 m 的位置。因此，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，巖巷的主要變形位置集中于左肩位置處。故，需對(duì)巖巷左肩位置進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)。

結(jié)合15 號(hào)煤層工作面的實(shí)際情況，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上最終確定該工作面的支護(hù)方式如下：

1）工作面頂板錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 m，錨桿間距為900 mm，錨桿排間距為900 mm；

2）兩幫所選型錨桿直徑為20 mm，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，錨桿間距為700 mm，錨桿排間距為900 mm，兩幫錨桿呈45°安裝；

3）錨索選用左旋預(yù)應(yīng)力絞線，錨索直徑為16 mm，錨索長(zhǎng)度為6.5 m，錨索間距為1 600 mm，錨索排間距為1 800 mm。

此外，支護(hù)方案中所采用樹脂錨固劑的型號(hào)為Z2060，并在錨桿錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上在頂板和兩幫采用網(wǎng)格尺寸為900 mm×900 mm 的W 鋼帶進(jìn)行固定[3]。

2.2 機(jī)械設(shè)備配套

2.2.1 鑿巖鉆頭的配套

鑿巖鉆頭的性能在一定程度上決定了鉆孔的效率和質(zhì)量，進(jìn)而直接決定工作面的掘進(jìn)效率。目前，常用于掘進(jìn)工作面的鉆頭類型有十字型鉆頭和球齒型鉆頭。

經(jīng)實(shí)踐表明，在實(shí)際鉆孔過(guò)程中采用十字型鉆頭的平均鉆孔速度為0.15 m/min，且一般在鉆了三個(gè)孔后就需重新?lián)Q個(gè)鉆頭；當(dāng)采用球齒鉆頭時(shí)其對(duì)應(yīng)平均鉆孔速度為0.25 m/min，且采用球齒鉆頭鉆完四個(gè)孔后，鉆頭還可繼續(xù)使用。

綜上所述，為15 號(hào)煤層工作面的快速掘進(jìn)配置球齒鉆頭，且根據(jù)工作面錨桿錨索的直徑為其配置鉆頭的直徑為42 mm。

2.2.2 金屬網(wǎng)的鋪設(shè)

工作面所鋪設(shè)的金屬網(wǎng)可以有效提升巖巷的支護(hù)強(qiáng)度，提升錨桿錨索的支護(hù)效果。該工作面以前所鋪設(shè)金屬網(wǎng)的規(guī)格為2.3 m×1.5 m，在實(shí)際施工過(guò)程中存在鋪設(shè)效率低的問(wèn)題。為保證工作面支護(hù)效果提升施工效率，將金屬網(wǎng)的規(guī)格增大為3 m×1.5 m，且每個(gè)網(wǎng)孔的規(guī)格為100 mm×100 mm[4]。

2.2.3 鑿巖機(jī)的配套

鑿巖機(jī)是為掘進(jìn)工作面支護(hù)所需實(shí)施鉆孔的關(guān)鍵設(shè)備，原方案采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，存在鉆孔速度慢的問(wèn)題，平均每個(gè)鉆孔所需時(shí)間為8 min。為此，采用液壓鑿巖機(jī)替換風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)。

而且，為進(jìn)一步提升工作面的掘進(jìn)效率對(duì)涉及到的機(jī)械設(shè)備作出如下改進(jìn)：

1）將工作面所配套EBZ200H 掘進(jìn)機(jī)履帶槽由垂直方向改進(jìn)為切斜方向，增大了履帶槽的深度，進(jìn)一步提升掘進(jìn)機(jī)的爬坡能力；

2）采用伸縮式皮帶運(yùn)輸機(jī)替代橋帶式裝載機(jī)，在提升運(yùn)輸能力的同時(shí)，避免了刮板機(jī)卡鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生[5]。

3 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)掘進(jìn)工作面支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，工作面每推進(jìn)100 m 可節(jié)約500 根錨桿，支護(hù)所需時(shí)間相應(yīng)減少了500 個(gè)孔的打孔時(shí)間，大大提高了錨桿支護(hù)的效率，進(jìn)而提升了工作面的掘進(jìn)效率。

用球齒鉆頭替換十字型鉆頭，平均每鉆十個(gè)孔可節(jié)約時(shí)間將近3 h，大大提升了工作面的鉆孔效率，進(jìn)而提升了工作面的掘進(jìn)效率。

將工作面金屬網(wǎng)的規(guī)格由2.3 m×1.5 m 優(yōu)化為3 m×1.5 m，可將以往的金屬網(wǎng)搭接次數(shù)由8 次降低至4 次，每個(gè)循環(huán)班可節(jié)約時(shí)間將近1 h，大大縮減了金屬網(wǎng)的鋪設(shè)時(shí)間，從而間接地提升了掘進(jìn)效率。