曹家灘煤礦智能快速掘錨成套裝備應(yīng)用

王 劍,劉備戰(zhàn)，雷亞軍，張興寬

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

目前，我國礦井煤巷主要采用連采機(jī)掘進(jìn)和綜掘機(jī)掘進(jìn)2種方式，月進(jìn)尺僅為500 m左右，掘進(jìn)裝備與工藝整體落后、掘進(jìn)效率低，使得大斷面煤巷掘進(jìn)速度無法滿足大型礦井安全高效開采的需要，生產(chǎn)銜接較為緊張。掘錨一體機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)掘支平行作業(yè)，提升掘進(jìn)速度，有效降低工人勞動強(qiáng)度，具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。為此，曹家灘煤礦引進(jìn)了中國鐵建重工集團(tuán)研制的智能快速掘錨成套裝備，志在解決快速掘進(jìn)問題。關(guān)于快速掘錨裝備在煤礦中的應(yīng)用，孫旭威[3]提出掘錨一體技術(shù)將是未來巷道掘進(jìn)發(fā)展的趨勢，在提高效率，降低勞動強(qiáng)度，提高錨桿預(yù)緊力，降低錨桿支護(hù)密度等方面都很有優(yōu)勢。梁小康等[4]提出將現(xiàn)有橋式轉(zhuǎn)載機(jī)更換為自移式機(jī)尾，能隨掘錨機(jī)向前推移，生產(chǎn)過程中不需要延長機(jī)尾，可實現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)施工。董慶等[5]提出通過優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，降低支護(hù)成本，提高巷道掘進(jìn)速度，實現(xiàn)回采的安全、快速、經(jīng)濟(jì)。宋作文等[6]提出通過優(yōu)化工藝流程、調(diào)整支護(hù)參數(shù)可以有效提高掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)進(jìn)尺和全員工效。曹家灘煤礦122109綜采工作面布置4條巷道，122109外回風(fēng)順槽，位于礦井2-2煤層12盤區(qū)，煤層底板標(biāo)高+957～+972 m，沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為矩形，斷面尺寸為5.6 m×4.45 m(寬×高)，設(shè)計掘進(jìn)長度6 004 m，煤層近水平結(jié)構(gòu)簡單，無大的褶曲、斷層和巖漿活動，屬于穩(wěn)定性煤層。通過智能快速掘錨成套裝備的應(yīng)用，以期解決礦井采掘接替問題，為同類型礦井智能化改造升級提供參考依據(jù)。

1 智能快速掘錨成套裝備概述

1.1 裝備組成

曹家灘煤礦引進(jìn)的智能快速掘錨成套裝備是由中國鐵建重工集團(tuán)生產(chǎn)，以國產(chǎn)掘錨一體機(jī)為龍頭，配套錨桿臺車、礦用帶式轉(zhuǎn)載機(jī)等新型快掘快支成套設(shè)備，是國內(nèi)首套智能快速掘錨成套設(shè)備[7]。該裝備由1臺掘錨一體機(jī)、2臺液壓錨桿臺車和1臺帶式轉(zhuǎn)載機(jī)組成，主機(jī)總長35.7 m，有效轉(zhuǎn)載距離60 m，既能截煤裝運(yùn)，又可錨桿支護(hù)，機(jī)組單個掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺1 m，可一次完成10個頂錨桿、6個幫錨桿和2個頂錨索全機(jī)械化作業(yè)，實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤礦巷道大斷面一次截割成型和全斷面機(jī)械化支護(hù)，設(shè)計掘進(jìn)速度1 500 m/月，比傳統(tǒng)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工速度提高了3倍以上。

1.2 EJM270/4-2掘錨一體機(jī)

EJM270/4-2掘錨一體機(jī)主要是為煤礦綜采工作面巷道掘錨服務(wù)的機(jī)械設(shè)備，主要適用于煤及半煤巖巷的掘進(jìn)。該機(jī)可切割單向抗壓強(qiáng)度≤80 MPa的煤巖，可掘巷道最大寬度6.5 m，最大高度4.45 m，巷道斷面一次成型，形狀為矩形，適應(yīng)巷道坡度±6°。

1.3 液壓錨桿臺車

液壓錨桿臺車由CMM001型錨桿鉆車和CMM002型錨桿鉆車組成。CMM001型錨桿鉆車配備3臺頂錨桿機(jī)、4臺幫錨桿機(jī)；CMM002型錨桿鉆車配備3臺頂錨(索)桿機(jī)、2臺幫錨桿機(jī)，錨桿、錨索機(jī)支護(hù)范圍大，可覆蓋頂板和側(cè)幫的支護(hù)。

1.4 DZQ100/130/55型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)

DZQ100/130/55型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)是一種橋形帶式輸送機(jī)，主要由皮帶機(jī)頭部、皮帶機(jī)尾部、橋架總成、液壓系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)組成。該機(jī)適用于直巷掘進(jìn)，巷道寬度大于4.5 m，坡度小于6°，可以左右擺偏±3°。布置于掘錨機(jī)組和帶式輸送機(jī)之間，與二者配套使用可實現(xiàn)掘進(jìn)、錨護(hù)、物料破碎和輸送的機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，大大提高了掘進(jìn)速率和安全性。

2 應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用效果

曹家灘煤礦于2019年5月中旬引進(jìn)一套由鐵建重工制造的智能快掘成套設(shè)備后，至2019年12月底已累計掘進(jìn)巷道9 760 m，月平均進(jìn)尺1 501.5 m。區(qū)隊實行“三八制”，兩個生產(chǎn)班和一個檢修班，早班半班檢修半班生產(chǎn)，中班、夜班全力生產(chǎn)，每個生產(chǎn)班組配備20人，檢修班配備15人，機(jī)組全員最高工效可達(dá)1.51 m/人·d。在此之前，曹家灘煤礦掘進(jìn)區(qū)采用懸臂式綜掘機(jī)和連采機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)，使用托梁器托鋼梁進(jìn)行臨時支護(hù)，支護(hù)費(fèi)時費(fèi)力，人員勞動強(qiáng)度大，工作效率低，作業(yè)環(huán)境差，單巷掘進(jìn)懸臂式綜掘機(jī)月平均進(jìn)尺382.5 m，連采機(jī)月平均進(jìn)尺746.3 m。采用智能快速掘錨成套裝備后，掘進(jìn)速度大幅提升，人員勞動強(qiáng)度降低，作業(yè)環(huán)境得到初步改善，掘進(jìn)速度是綜掘機(jī)的3.92倍，是連采機(jī)的2.01倍，進(jìn)尺優(yōu)勢明顯，且還有進(jìn)一步提升的空間，但問題顯現(xiàn)也特別明顯，支護(hù)參數(shù)的不配套以及電路、液壓系統(tǒng)故障時有發(fā)生[8-10]，需要進(jìn)一步整改完善，采取整改措施后單月進(jìn)尺突破2 020 m，刷新了曹家灘煤礦進(jìn)尺紀(jì)錄。

2.2 常見問題及處理措施

2.2.1 截割滾筒不工作

截割滾筒空載正常，截割時不工作。這種情況一般為過熱、斷相、過載過流、漏電閉鎖等故障中的一種，可以查看電子顯示器故障信息提示。對于過熱故障，應(yīng)排查水路系統(tǒng)問題，逐項排查供水壓力、噴霧壓力、供水流量、噴嘴等各部分情況，找出故障原因[11-12]。對于斷相故障，則應(yīng)排查電纜破損情況及供電缺相等；對于過載過流故障，應(yīng)排查巖石硬度、進(jìn)刀深度、滾筒牽引速度等參數(shù)是否合理，并檢查截齒缺損情況；對于漏電閉鎖故障，應(yīng)檢查電路絕緣情況及絕緣電阻是否達(dá)標(biāo)。

2.2.2 鏟板及刮板

鏟板無法抬起：查看鏟板升降油缸回路故障，查看輸送滑槽損壞情況。

刮板鏈不運(yùn)行：查看是否存在煤巖異物導(dǎo)致卡鏈，查看裝運(yùn)電機(jī)是否正常工作及扭矩軸是否斷裂。

刮板鏈斷鏈：查看刮板鏈張緊量，并檢查是否存在張緊油缸自卸現(xiàn)象。檢查是否有鏈條節(jié)距不等和過度磨損，查看鏈輪中是否卡住巖石或異物。

2.2.3 支護(hù)問題

臨時支護(hù)無法上升：查看油缸溢流閥壓力是否不足或溢流閥損壞，檢查臨時支護(hù)油缸漏油或損壞情況。若臨時支護(hù)油缸損壞，應(yīng)排查是鏟板變形與臨時支護(hù)油缸干涉還是鉆架與臨時支護(hù)油缸干涉，及時作出補(bǔ)救；查看是否有銷軸脫出或丟失。

鉆臂距離不合適：頂錨鉆臂左右滑移距離太小，無法滿足現(xiàn)頂錨設(shè)計間距1 m，傾斜支護(hù)造成部分頂錨桿不能垂直煤壁進(jìn)行支護(hù)。幫錨鉆臂滑道太短，需更換兩次鉆桿才能完成一根錨桿的打眼工序。鉆機(jī)由固定式改為滑移式，增加了鉆機(jī)支護(hù)范圍且移動操作更方便。

頂幫錨桿支護(hù)參數(shù)不恰當(dāng)：由于曹家灘122109外回風(fēng)順槽巷道支護(hù)量大，2號錨桿鉆機(jī)本身設(shè)計的局限性，所以在支護(hù)未完成的情況下，將無法掘進(jìn)，導(dǎo)致支護(hù)速度限制掘進(jìn)速度，不能達(dá)到完全同步，頂幫錨桿支護(hù)參數(shù)不恰當(dāng)影響掘進(jìn)與支護(hù)的同步進(jìn)行。

2.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 外回順槽初始支護(hù)方案

122109外回順槽初始支護(hù)方案中，頂板采用6 000 mm×1 100 mm鋼筋網(wǎng)+φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+φ17.8 mm×6 500 mm錨索聯(lián)合支護(hù)。頂錨間距×排距為1 000 mm×1 000 mm，每排支護(hù)6根錨桿。錨索間距×排距為2 000 mm×3 000 mm。幫錨間距×排距為1 000 mm×1 000 mm，巷道煤柱側(cè)采用φ20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+塑料網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，巷道非煤柱側(cè)采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿支護(hù)。

2.3.2 錨桿錨索參數(shù)計算

由于大跨度巷道的特殊性，傳統(tǒng)的計算巷道頂板破壞范圍的方法與實際情況不符合。將矩形巷道等效成一個扁橢圓，通過分析扁橢圓的塑性區(qū)情況確定矩形巷道頂板的破壞范圍，這種方法更接近于矩形巷道的實際情況。采用等效法進(jìn)行錨桿、錨索參數(shù)計算。假設(shè)矩形巷道的寬為2a，高為2b,則取等效的橢圓長軸為1.25a，短軸為1.7b，具體如圖1所示。在回風(fēng)順槽巷道中取最大斷面來計算，其巷寬5.6 m，巷高4.45 m，因此頂幫松動范圍計算見式(1)、式(2)。

圖1 巷道截面示意

H=0.55b=0.55×2.225=1.222 4 m

(1)

I=0.25a=0.25×2.8=0.7 m

(2)

式中，H為頂板松動范圍，m；b為巷道開掘高度之半，取2.225 m；I為巷道兩幫松動范圍，m；a為巷道開掘?qū)挾戎?，?.8 m。

2.3.3 布置優(yōu)化

為了掘進(jìn)與支護(hù)實現(xiàn)同步，以“以掘定支、掘支并行”為目標(biāo)，對頂幫錨桿安設(shè)布置時空進(jìn)行優(yōu)化。

頂錨桿：優(yōu)化為φ22 mm×2 400 mm的BHRB335號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 250 mm×1 000 mm，每排5根錨桿，減量提質(zhì)。

頂錨索：φ17.8 mm×6 250 mm的鋼絞線，錨索孔深6 000 mm?？咨? m為1.2 m鉆桿長度的整數(shù)倍，減少裝卸鉆桿次數(shù)。

幫錨桿：優(yōu)化為φ22 mm×2 200 mm的GQN60型高強(qiáng)抗扭玻璃鋼錨桿及配套托盤螺母，托盤為塔型托盤，防止玻璃鋼錨桿自動退絲和托盤碎裂。

鉆桿：錨桿孔鉆桿裝備兩套(一根一套，兩根組合一套，不接、卸鉆桿)，錨索鉆桿優(yōu)化為1.2 m一根，減少接、卸次數(shù)。

施工角度：煤柱幫最上部錨桿帶15°上仰角施工，頂錨桿兩側(cè)錨桿帶15°外扎角施工，控制肩角。

3 結(jié)語

智能快速掘錨成套裝備在曹家灘煤礦大斷面煤巷快速掘進(jìn)過程中，實現(xiàn)了掘支同步，降低了勞動強(qiáng)度，提高了支護(hù)效率和安全性，月平均進(jìn)尺1 501.5 m，實現(xiàn)了倍數(shù)式增長，超額完成了廠家設(shè)計掘進(jìn)能力，但是機(jī)組故障頻發(fā)，現(xiàn)場掘進(jìn)速度慢，一定程度上影響了掘錨一體機(jī)的正常運(yùn)行。通過改進(jìn)機(jī)組和優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)組織施工和現(xiàn)場管理，從而最大程度的發(fā)揮智能快速掘錨成套裝備各個設(shè)備的性能，單月進(jìn)尺突破2 020 m，實現(xiàn)了煤礦安全高效快速掘進(jìn)。