大于60°煤層開切眼機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)

周忠國 張孟軍 劉建

摘 要：通過大于60°煤層傾角綜采工作面開切眼采用挖掘機(jī)破煤、裝煤，通過下煤通道將煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)巷膠帶輸送機(jī)，再運(yùn)輸至煤倉，實(shí)現(xiàn)開切眼機(jī)械化掘進(jìn)，采用掘進(jìn)防推底、下煤通道堵塞處理、下煤裝置改進(jìn)、設(shè)備安裝滑道鋪設(shè)、防片幫飛矸等技術(shù)，破解了60°以上煤層開切眼施工安全難題，為急傾斜煤層綜采技術(shù)推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：開切眼;一次成巷;機(jī)械化

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0202-02

0引言

急傾斜煤層采煤工作面開切眼掘進(jìn)是綜采工作面面臨的一大難題[1-6]，由于煤層傾角大，采用傳統(tǒng)由下向上鉆爆法施工小斷面貫穿風(fēng)巷后，再由上向下擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面，存在的安全威脅較大;一是掘進(jìn)工作面容易片幫飛矸造成作業(yè)人員受傷;二是作業(yè)人員搬運(yùn)中柱擋板等材料勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易發(fā)生墜物傷人;三是掘進(jìn)單進(jìn)受限制，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，在急傾斜煤層中掘進(jìn)上山時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用雙上山、偽傾斜上山等掘進(jìn)方式，并加強(qiáng)支護(hù)，上山掘進(jìn)工作面采用爆破作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用深度不大于1.0m的炮眼遠(yuǎn)距離全斷面一次爆破，直接導(dǎo)致開切眼掘進(jìn)工程量增加，循環(huán)進(jìn)度低下，不利于礦井采掘接替。綠水洞煤礦在急傾斜煤層開切眼施工方面開展了大量技術(shù)攻關(guān)，提出采用全液壓鉆機(jī)從下往上施工眼孔，再從下往上擴(kuò)孔形成下煤通道，開切眼從上向下采用鉆爆法掘進(jìn)的工藝，解決了掘進(jìn)工作面片幫、飛矸的威脅，但是采用鉆爆法掘進(jìn)依然存在需頻繁撤人、容易破壞煤層頂?shù)装濉⒙毠趧?dòng)強(qiáng)度大、下煤通道易堵塞、工效難以得到提高等問題，急傾斜煤層開切眼實(shí)現(xiàn)安全快速掘進(jìn)亟待解決。

1技術(shù)方案

通過外出參觀考察，礦井提出采用煤礦用液壓挖掘機(jī)破煤、裝煤，從上往下臺(tái)階式掘進(jìn)，通過下煤通道將煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)巷膠帶輸送機(jī)，再運(yùn)輸至煤倉，全斷面掘進(jìn)后再對(duì)頂、幫及底板進(jìn)行支護(hù)，實(shí)現(xiàn)開切眼機(jī)械化掘進(jìn)一次成巷。采用MWY6/0.3型煤礦用液壓挖掘機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面只需一名挖掘機(jī)司機(jī)和電纜看守人員。對(duì)煤礦用液壓挖掘機(jī)在急傾斜煤層開切眼內(nèi)使用的約束條件進(jìn)行了模擬分析，同時(shí)在地面進(jìn)行了還原模擬試驗(yàn)，得出MWY6/0.3型煤礦用液壓挖掘機(jī)適用于煤層傾角55°～90°，煤層厚度大于2.8m條件下的開切眼施工，煤礦用液壓挖掘機(jī)約束空間使用模擬見圖1，作業(yè)范圍見圖2。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1開切眼機(jī)械化掘進(jìn)

急傾斜綜采工作面開切眼機(jī)械化掘進(jìn)配套裝置，主要由煤礦用液壓挖掘機(jī)、下煤通道、通風(fēng)孔、防墜網(wǎng)格、護(hù)壁套筒、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶輸送機(jī)組成，其特征在于下煤通道設(shè)于開切眼靠煤層頂板及采空區(qū)側(cè)，下煤通道內(nèi)從上往下安設(shè)護(hù)壁套筒，護(hù)壁套筒兩端均勻設(shè)置四個(gè)眼孔，護(hù)壁套筒之間采用鐵托板及螺栓連接固定，下煤通道上部鋪設(shè)防墜網(wǎng)格，通風(fēng)孔設(shè)于開切眼采空區(qū)側(cè)，通風(fēng)孔上部鋪設(shè)防墜網(wǎng)格，煤礦用液壓挖掘機(jī)從回風(fēng)平巷運(yùn)輸至開切眼上口，安裝于開切眼內(nèi)，采用煤礦用液壓挖掘機(jī)液壓錘對(duì)開切眼內(nèi)煤炭進(jìn)行破碎處理，從上往下采用煤礦用液壓挖掘機(jī)挖斗臺(tái)階式轉(zhuǎn)載開切眼內(nèi)煤矸進(jìn)入下煤通道，進(jìn)風(fēng)平巷安設(shè)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶輸送機(jī)，下煤通道內(nèi)護(hù)壁套筒末端搭接于橋式轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾。通風(fēng)孔直徑500mm，下煤通道與通風(fēng)孔之間距離大于900mm。防墜網(wǎng)格采用直徑18mm樹脂錨桿進(jìn)行焊接，網(wǎng)格間距200mm×200mm。

2.2開切眼掘進(jìn)防推底

急傾斜中厚煤層開切眼在掘進(jìn)過程中遇到煤層厚度變化較大時(shí)，若取全煤則采高過高無合適的配套綜采裝備，另一種方式就是留底煤，但底煤留設(shè)不當(dāng)很容易造成推底。特別是急傾斜煤層開切眼從上往下掘進(jìn)，人員在工作面作業(yè)，安全威脅較大，上方底板發(fā)生推底將造成嚴(yán)重的后果。對(duì)開切眼底板的加固和底煤的防護(hù)就顯得格外重要。針對(duì)上述問題，提出一種操作方便、安全可靠，適用于急傾斜中厚煤層開切眼掘進(jìn)防推底配套裝置，主要由底錨桿、底錨索、加固底梁、護(hù)底網(wǎng)組成，底錨桿采用無縱筋左旋螺紋鋼樹脂錨桿或漲殼式錨桿均可，加固底梁采用槽鋼加工形成，在加固底梁兩端施工眼孔，底錨索穿過加固底梁眼孔對(duì)底煤進(jìn)行加固，護(hù)底網(wǎng)采用菱形金屬網(wǎng)配笆片對(duì)底煤和底板進(jìn)行防護(hù)，防止開切眼掘進(jìn)過程中煤矸滾落形成飛矸。急傾斜煤層開切眼底板上兩側(cè)的加固底梁必須交錯(cuò)布置，底錨桿進(jìn)入底板的深度不小于1m。底煤留設(shè)厚度根據(jù)頂板與底板之間的高度和綜采工作面配套液壓支架最大支撐高度進(jìn)行選取，底煤留設(shè)厚度不超過1m。煤層厚度不穩(wěn)定時(shí)，綜采工作面液壓支架安裝前應(yīng)提前加設(shè)柱帽，以防止采高超高造成液壓支架無法接頂。

2.3開切眼下煤通道堵塞處理

在進(jìn)風(fēng)巷道采用全液壓鉆機(jī)配普通鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭施工形成急傾斜煤層開切眼下煤通道，解決了急傾斜煤層開切眼從上往下掘進(jìn)煤矸運(yùn)輸難題，避免了以往采用從下往上掘進(jìn)存在的片幫、推底、飛矸等威脅，但在實(shí)施過程中由于受擴(kuò)孔鉆頭直徑限制，下煤通道孔徑通常只有500mm～600mm，開切眼掘進(jìn)過程中遇到大塊煤矸或堅(jiān)硬頂煤，極易造成開切眼下煤通道堵塞，影響生產(chǎn)制約單進(jìn)。針對(duì)以上問題，提出一種急傾斜煤層開切眼下煤通道堵塞處理裝置，主要由第一回柱絞車、第二回柱絞車、鋼絲繩、信號(hào)聯(lián)絡(luò)裝置、信號(hào)線纜、導(dǎo)向滑輪、疏導(dǎo)器、限位卡符組成，其特征在于第一回柱絞車安設(shè)在回風(fēng)巷道，靠近開切眼上口，第二回柱絞車安設(shè)在進(jìn)風(fēng)巷道，靠近開切眼下口，第一回柱絞車鋼絲繩穿過開切眼上口導(dǎo)向滑輪與疏導(dǎo)器上端連接，第二回柱絞車鋼絲繩穿過開切眼下口導(dǎo)向滑輪與疏導(dǎo)器下端連接，疏導(dǎo)器兩端設(shè)置有眼孔，鋼絲繩穿過后采用限位卡符緊固，在第一回柱絞車和第二回柱絞車后方設(shè)置信號(hào)聯(lián)絡(luò)裝置，通過信號(hào)線通道采用信號(hào)線纜連接信號(hào)聯(lián)絡(luò)裝置。疏導(dǎo)器表面焊接有螺旋鋼板。第一回柱絞車和第二回柱絞車采用同型號(hào)設(shè)備，下行疏通時(shí)第二回柱絞車收繩，第一回柱絞車松繩，上行疏通時(shí)第一回柱絞車收繩，第二回柱絞車松繩。疏導(dǎo)器兩端眼孔直徑為50mm，鋼絲繩穿過疏導(dǎo)器眼孔后采用四個(gè)限位卡符固定。

2.4開切眼下煤裝置改進(jìn)

急傾斜綜采工作面開切眼采用坑道式液壓鉆機(jī)形成下煤通道后，開切眼掘進(jìn)工作面由上往下掘進(jìn)，下煤通道一般采用等徑護(hù)壁套筒硬性螺栓連接，在使用過程中護(hù)壁套筒極易出現(xiàn)變形和卡阻，造成下煤通道堵塞，影響開切眼機(jī)械化掘進(jìn)，制約開切眼單進(jìn)水平的提高。本文提出一種操作方便、安全可靠，適用于急傾斜煤層開切眼下煤配套裝置，主要由異徑套筒、壓板、限位卡符、鋼繩、下煤通道、防墜防堵網(wǎng)格組成，其特征是異徑套筒逐節(jié)嵌入下煤通道內(nèi)，相鄰異徑套筒采用插接方式，壓板焊接于異徑套筒中下部表面四周，鋼繩穿過壓板將異徑套筒連接成整體，壓板兩側(cè)鋼繩采用限位卡符鎖緊。下煤通道直徑800mm，異徑套筒上端直徑700mm，下端直徑650mm，長度1000mm，防墜防堵網(wǎng)格孔間距200mm～300mm，鋼繩直徑30mm，鋼繩穿通下煤通道內(nèi)所有異徑套筒。

2.5開切眼設(shè)備安裝滑道

急傾斜中厚煤層綜采工作面開切眼采用煤礦用液壓挖掘機(jī)機(jī)械化掘進(jìn)到位后，挖掘機(jī)需要從開切眼運(yùn)至風(fēng)巷再運(yùn)輸至地面，綜合考慮后期綜采設(shè)備安裝一次性進(jìn)行安裝滑道鋪設(shè)。急傾斜綜采工作面切眼設(shè)備安裝滑道裝置，主要由主滑道、輔助滑道、軌枕限位器、軌道限位器、緩沖枕木、防滑板、防滑樁組成，緩沖枕木鋪設(shè)于切眼內(nèi)底板上，主滑道和輔助滑道采用道釘固定在緩沖枕木上，軌枕限位器采用道釘固定于緩沖枕木上，軌道限位器采用壓板配合螺栓連接在主滑道和輔助滑道底部，主滑道和輔助滑道兩側(cè)焊接防滑板。防滑樁穿透主滑道或輔助滑道內(nèi)側(cè)防滑板眼孔向切眼底板方向施工，防滑樁長度700mm～1000mm。軌枕限位器分兩側(cè)布置，每根軌枕限位器上均勻布置三個(gè)眼孔，采用壓接方式進(jìn)行搭接。主滑道和輔助滑道軌面保持在一個(gè)水平面，主滑道采用沉頭螺栓和專用道夾板連接。

2.6開切眼掘進(jìn)防片幫飛矸

一是急傾斜煤層綜采工作面開切眼掘進(jìn)后采用四方支護(hù)技術(shù)，對(duì)巷道頂板、兩幫及底板進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，即采用樹脂錨桿（φ=18mm，L=2000mm）配菱形金屬網(wǎng)、鋼筋梯加錨索（φ=15.24mm，L=5000mm）進(jìn)行支護(hù)，錨桿間距、排距均為1m，錨索間距3m，排距為2.5m，錯(cuò)位布置，靠采空區(qū)側(cè)巷幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，即采用漲殼式錨桿（φ=16mm，L=1800mm）配菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，間距、排距均為1m，煤壁側(cè)巷幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，即采用玻璃鋼錨桿（φ=16mm，L=1800mm）配菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，間距、排距均為1m，由于玻璃鋼錨桿具有可切割的特性，不會(huì)損壞采煤機(jī)，不會(huì)產(chǎn)生火花，便于后期綜采設(shè)備的順利安全推進(jìn)，底板采用錨網(wǎng)支護(hù)，即采用漲殼式錨桿（φ=16mm，L=1500mm）配菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間距、排距均為1m，解決由于煤層傾角增大所帶來的可能發(fā)生推底現(xiàn)象，對(duì)底板進(jìn)行加固，便于后期設(shè)備安全安裝。二是開切眼內(nèi)每間隔20m沿工作面走向安裝一組擋矸板來防止上方片幫、滾矸和推底，擋矸板采用錨樁（φ=36mm，L=1200mm）配合木板安設(shè)，擋板高度為0.5m，兩端封齊至煤幫，木板上方采用錨網(wǎng)進(jìn)行全封閉形成擋矸防護(hù)網(wǎng)，有效防止飛矸。

3工業(yè)性試驗(yàn)

大于60°煤層開切眼機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)在綠水洞煤礦3222采煤工作面開切眼開展工業(yè)性試驗(yàn)，3222采面開切眼位于打鑼灣背斜西翼中上部，上部為3222風(fēng)巷，下部為3222機(jī)巷。巷道設(shè)計(jì)長度63.7m，寬度7.6m，切眼采煤機(jī)安裝硐室長度15m，寬度9.1m，按中線沿煤層破偽頂掘進(jìn)，從3222機(jī)巷及風(fēng)巷揭露情況分析，工作面預(yù)掘范圍內(nèi)不存在較大斷層，但不排除有小斷層隱伏存在的可能，對(duì)巷道掘進(jìn)不會(huì)產(chǎn)生較大影響，煤層傾向299°，煤層傾角55°～61°，平均傾角58°，煤層厚度3.6m，均為合層，為半暗半亮型焦煤、焦肥煤，呈玻璃光澤，夾矸2～4層，屬較復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，中部有一層0.07m的高嶺石夾矸，在井田內(nèi)比較穩(wěn)定，厚度變化較小，為井田內(nèi)煤層對(duì)比的標(biāo)志層，厚度變化較大，巖性為碳質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，硬度系數(shù)f=4～6，在本巷道內(nèi)夾矸均小于0.5m。

在地面工業(yè)廣場(chǎng)模擬井下3222采面開切眼受限空間，開展挖掘機(jī)司機(jī)操作培訓(xùn)，在地面將挖掘機(jī)裝車后運(yùn)輸至井下開展工業(yè)性試驗(yàn)。

4實(shí)施效果

（1）在綠水洞煤礦3222采面開切眼采用機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)，施工62m巷道工程（含安全硐室2m），平均單進(jìn)2.3m/d，比傳統(tǒng)采用鉆爆法掘進(jìn)平均單進(jìn)1.5m/d相比，掘進(jìn)單進(jìn)水平提高53.33%。

（2）實(shí)施后減少開切眼內(nèi)作業(yè)人數(shù)，由原來的9個(gè)人減少至7個(gè)人，大大節(jié)省人工費(fèi)用。急傾斜煤層采用下行機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)后，開切眼掘進(jìn)單進(jìn)得到提高，使采煤工作面能夠提前形成回采條件，緩解采煤接替緊張局面。

（3）急傾斜煤層開切眼下行機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)在3222采煤工作面開切眼試驗(yàn)取得成功后，對(duì)于解決急傾斜煤層開切眼安全快速掘進(jìn)的問題提供了很好的操作方法和指導(dǎo)思路，為急傾斜煤層綜采技術(shù)的發(fā)展和延伸奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在類似條件的礦井具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，特別是煤層傾角大于55°，煤層厚度大于2.8m的開切眼非常適用。

5結(jié)語

（1）對(duì)于傾角大于60°，局部傾角達(dá)到70°的急傾斜煤層，若采用柔性掩護(hù)支架炮采工藝，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全保障度低，而大于60°煤層開切眼機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)的成功突破，實(shí)現(xiàn)急傾斜煤層綜采工作面開切眼安全快速形成，為礦井采用急傾斜煤層綜采技術(shù)創(chuàng)造了條件，大大提高了作業(yè)安全性和工作效率。

（2）隨著礦井開采水平向深部延伸，煤層傾角越來越大，煤炭資源開采的難度逐漸增加，急傾斜煤層開切眼實(shí)現(xiàn)機(jī)械化掘進(jìn)后，為采煤工作面形成做好鋪墊，能夠提高礦井煤炭資源的回收率，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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