蒙大礦巷道高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁云峰，高愛紅

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2.山東邦邁智能科技有限公司，濟(jì)南 251600)

采掘關(guān)系是煤礦生產(chǎn)中的主要矛盾之一。掘進(jìn)效率低、采掘比例失調(diào)成為制約我國煤礦高產(chǎn)高效的瓶頸，也是制約中煤烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱蒙大礦)安全高效生產(chǎn)的瓶頸。高效機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)、支護(hù)技術(shù)、連續(xù)運(yùn)輸技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)安全高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向[1-7]。

目前我國巷道掘進(jìn)的設(shè)備種類較多，掘進(jìn)設(shè)備的研發(fā)和更新速度日益加快，綜合來看目前快速掘進(jìn)的配套設(shè)備主要有綜合機(jī)械化掘進(jìn)、連續(xù)采煤機(jī)高效掘進(jìn)和掘錨機(jī)組掘錨一體化掘進(jìn)3種。這3種高效掘進(jìn)設(shè)備的后配套形式更是多種多樣，常用的配套形式有：①綜掘機(jī)-橋式轉(zhuǎn)載機(jī)-可伸縮帶式輸送機(jī)[8，9]；②連續(xù)采煤機(jī)-梭車-錨桿機(jī)-行走支架-鏟車-給料破碎機(jī)-可伸縮帶式輸送機(jī)；③掘錨機(jī)-連運(yùn)頭車-橋式轉(zhuǎn)載機(jī)-自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))；④掘錨機(jī)-多臂錨桿鉆車-可彎曲帶式轉(zhuǎn)載機(jī)-自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))[8]。

目前蒙大礦礦井中所采用的配套方式為掘錨機(jī)-連運(yùn)頭車-橋式轉(zhuǎn)載機(jī)-自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))，該種配套方式最大缺點(diǎn)是橋式轉(zhuǎn)載機(jī)與自移機(jī)尾搭接行程短，需要頻繁沿自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))膠帶，掘進(jìn)效率較低，不能滿足礦井掘進(jìn)需求。目前市面上能滿足蒙大礦礦井掘進(jìn)需求的高效快速掘進(jìn)配套方式有掘錨機(jī)-多臂錨桿鉆車-可彎曲帶式轉(zhuǎn)載機(jī)-自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))，該種配套方式成本高，設(shè)備布置準(zhǔn)備巷道較長，搬家倒面費(fèi)用高，應(yīng)用于3000m以上巷道掘進(jìn)時，經(jīng)濟(jì)效益高，應(yīng)用于3000m以下巷道掘進(jìn)時，經(jīng)濟(jì)效益低。綜上，山東邦邁智能科技有限公司聯(lián)合中煤西北能源有限公司共同開發(fā)一套適用于蒙大礦生產(chǎn)的高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)。

1 蒙大礦煤層地質(zhì)條件及巷道規(guī)格

開發(fā)設(shè)計(jì)的高效快掘系統(tǒng)將應(yīng)用于蒙大礦3-1煤層31104回風(fēng)巷。該巷道用途為31104綜采工作面回風(fēng)及設(shè)備運(yùn)輸。巷道總工程量為2722.5m，其中31104回風(fēng)巷長度為2614.5m，各硐室長度共計(jì)108m。

煤層厚度為5.8～6.7m，平均厚度為6.4m，煤層傾角1°～3°，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。煤層中局部含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3m左右，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖，深灰色及灰色，含植物化石及云母碎屑。巷道底板為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，巖石的抗壓強(qiáng)度平均為40.4MPa，抗剪與抗拉強(qiáng)度則更低，巖石的軟化系數(shù)絕大部分小于0.75，均為易軟化巖石，個別鈣質(zhì)填隙的砂巖抗壓強(qiáng)度稍高些。煤層頂巖石以軟弱及半堅(jiān)硬巖石為主，個別為堅(jiān)硬巖石。

巷道規(guī)格為矩形，掘?qū)挘?800mm，掘高：3900mm，巷道掘進(jìn)面積：22.62m2，凈寬：5800mm，凈高3700mm，巷道凈面積：21.46m2。沿煤層底板掘進(jìn)。頂錨桿布置：錨桿每排8根，排距900mm，間距為700mm、800mm，端錨桿與巷幫間距為150mm。頂錨索布置：錨索采用“4-2-4-2”模式，即第一排錨索每排4根，排距1800mm，間距1200mm，端錨索與巷幫間距為1100mm。第二排錨索每排2根，排距1800mm，間距1800mm，端錨索與巷幫間距為2000mm。依次交替進(jìn)行支護(hù)。幫錨桿布置：錨桿每排5根，排距900mm，間距為850mm，端錨桿與頂板間距為300mm，底錨桿與底板間距為200mm。

2 高效快速掘進(jìn)配套系統(tǒng)

根據(jù)蒙大礦煤層地質(zhì)條件及巷道規(guī)格，山東邦邁智能科技有限公司聯(lián)合中煤西北能源有限公司共同開發(fā)一套適用于蒙大礦礦井生產(chǎn)的高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘、錨、運(yùn)三位一體，將整體掘進(jìn)效率提高2.5倍。該高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、多臺多臂平行支護(hù)、破碎和運(yùn)輸平行作業(yè)、刮板和膠帶連續(xù)運(yùn)輸、除塵和通風(fēng)有機(jī)結(jié)合、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能。該系統(tǒng)主要包括掘錨機(jī)、液壓錨桿鉆車(含破碎)、大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、履帶行走式自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))，如圖1所示。

圖1 高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)配套方案

該高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)的主要技術(shù)特征：①掘錨機(jī)，實(shí)現(xiàn)臨時支護(hù)和截割同步作業(yè)，保證截割穩(wěn)定性；實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，將截割落煤和永久支護(hù)由同一設(shè)備并行完成；實(shí)現(xiàn)伸縮滾筒截割落煤，一次成巷，提高成巷質(zhì)量；②掘錨機(jī)和液壓錨桿鉆車，實(shí)現(xiàn)多臺多臂平行支護(hù)，采用空間多維度同步支護(hù)，將支護(hù)時間向支護(hù)空間轉(zhuǎn)化，提高支護(hù)效率；③液壓錨桿鉆車，將破碎機(jī)有機(jī)結(jié)合到液壓錨桿鉆車上，實(shí)現(xiàn)破碎與運(yùn)輸平行作業(yè)，消除破煤工序；④系統(tǒng)刮板運(yùn)輸機(jī)和帶式輸送機(jī)有機(jī)搭接，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸，搭接行程滿足圓班進(jìn)尺要求，保證連續(xù)掘進(jìn)，同時不影響支護(hù)設(shè)備支護(hù)作業(yè)；⑤除塵和通風(fēng)，通過高效除塵器、三幕控塵等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)粉塵防治；同時通風(fēng)風(fēng)筒與系統(tǒng)有機(jī)搭接，可隨系統(tǒng)及時跟進(jìn)，滿足高瓦斯礦井通風(fēng)要求；⑥遠(yuǎn)程控制，基于多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)構(gòu)建中央自動化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備、子系統(tǒng)聯(lián)動、集中控制[10]；⑦輔助作業(yè)，基于電纜自移動布置和機(jī)械化延尾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電裝置、除塵系統(tǒng)、材料、纜線與設(shè)備一體化同步移動，無人值守。

2.1 系統(tǒng)配套設(shè)備及參數(shù)

該高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要配套設(shè)備有：EJM270/4-2B型掘錨機(jī)和CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車，DZQ100/100/45型大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和DWZY1000型履帶行走式自移機(jī)尾，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.2 掘錨機(jī)技術(shù)特征及參數(shù)

EJM270/4-2B型掘錨機(jī)主要技術(shù)特征有：掘錨一體化技術(shù)[11]；全寬截割技術(shù)[8]；短距重載刮板運(yùn)輸技術(shù)[12]；三幕控塵技術(shù)等[13]。掘錨一體化技術(shù)既實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，同時也實(shí)現(xiàn)截割、裝載、臨時支護(hù)、錨桿支護(hù)等工序的平行作業(yè)。全寬截割技術(shù)主要機(jī)理是截割滾筒可伸縮，是實(shí)現(xiàn)快速截割的關(guān)鍵技術(shù)，通過一刀成巷，消除超、欠挖現(xiàn)象，提高巷道成形質(zhì)量。短距重載刮板運(yùn)輸技術(shù)是高效快速掘進(jìn)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了運(yùn)量大、換向頻繁、搭接靈活等技術(shù)要求。三幕控塵技術(shù)是掘錨機(jī)實(shí)現(xiàn)固液氣三幕控，掘錨機(jī)截割內(nèi)外噴霧形成水幕，保證煤機(jī)司機(jī)視線清晰；滾筒后部建立固態(tài)擋塵幕，阻擋粉塵擴(kuò)散；環(huán)形側(cè)風(fēng)管道控塵裝置與除塵器負(fù)壓共同作用，改變壓風(fēng)軸向風(fēng)流為沿巷壁的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流并使其不斷推進(jìn)至擋塵幕后側(cè)，形成空氣幕，將已擴(kuò)散粉塵壓制在迎頭形成粉塵池，截割臂上方風(fēng)箱在粉塵池中近距高效吸塵，粉塵經(jīng)多級風(fēng)道由除塵器處理，掘錨機(jī)其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 EJM270/4-2B型掘錨機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 液壓錨桿鉆車技術(shù)特征及參數(shù)

CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車主要技術(shù)特征有：短距重載刮板運(yùn)輸技術(shù)；破碎部集成技術(shù)；多臂錨護(hù)技術(shù)；遠(yuǎn)程控制技術(shù)等，其技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 CMM6-23型煤礦用液壓錨桿鉆車技術(shù)

2.4 大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)技術(shù)特征及參數(shù)

DZQ100/100/45型大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)主要技術(shù)特征有：大跨距懸臂轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)；高強(qiáng)度剛性架集成技術(shù)；斜拉索與配重平衡技術(shù)；剛性架運(yùn)行減震技術(shù)等，其技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 DZQ100/100/45型大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.5 履帶行走式自移機(jī)尾技術(shù)特征及參數(shù)

DWZY1000型履帶行走式自移機(jī)尾主要技術(shù)特征有：刮板式履帶牽引技術(shù)；電纜、管線智能管理技術(shù)等，其技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 DWZY1000型履帶行走式自移機(jī)尾技術(shù)參數(shù)

3 施工工藝[14-16]

巷道采用掘錨機(jī)一次成巷的掘進(jìn)方法，掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)，掘進(jìn)工作面煤炭的破、落、裝、運(yùn)及巷道的支護(hù)均由掘錨機(jī)和后配套設(shè)備來完成。

3.1 掘進(jìn)工藝

掘錨機(jī)掘進(jìn)過程中首先將截割頭調(diào)整至巷道頂板，即升刀；掃去上一刀預(yù)留的200mm左右煤皮圓弧段，即掃頂；將截割頭向前切入煤體1000mm，即進(jìn)刀；然后由上向下切入煤體，即割煤；當(dāng)截割頭割到煤層底板時，掘錨機(jī)截割部向后退1000mm左右，拉底煤使巷道底平整，裝完余煤，即拉底；即為一個循環(huán)。完成1000mm的掘進(jìn)后，將截割頭與鏟板放在最底，等待支護(hù)完后進(jìn)行下一循環(huán)割煤。

3.2 運(yùn)煤工藝

掘錨機(jī)截割時，煤落入鏟板內(nèi)，由裝在鏟板上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的耙爪將煤裝入掘錨機(jī)的刮板輸送機(jī)，掘錨機(jī)的刮板輸送機(jī)再將煤轉(zhuǎn)運(yùn)到液壓錨桿鉆車受料斗內(nèi)。通過液壓錨桿鉆車破碎結(jié)構(gòu)破碎后，再由液壓錨桿鉆車的刮板輸送機(jī)將煤轉(zhuǎn)運(yùn)到大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)受料斗內(nèi)。再由大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)膠帶運(yùn)輸將煤轉(zhuǎn)運(yùn)到自移機(jī)尾及工作面運(yùn)輸巷，再轉(zhuǎn)運(yùn)至工作面機(jī)頭硐室遛煤眼，再轉(zhuǎn)運(yùn)至中央帶式運(yùn)輸機(jī)大巷，再轉(zhuǎn)運(yùn)至煤上倉斜巷，最后到達(dá)井底煤倉，完成運(yùn)煤工藝。

3.3 支護(hù)工藝

采用掘錨機(jī)支護(hù)頂、幫錨桿和頂錨索，其他幫錨桿選用液壓錨桿鉆車支護(hù)。

臨時支護(hù)采用掘錨機(jī)自身的液壓支撐架和錨桿機(jī)的臨時支撐架支護(hù)。頂錨桿采用掘錨機(jī)支護(hù)。正(副)幫第一根、第二根錨桿采用掘錨機(jī)支護(hù)，第三根、第四根、第五根錨桿采用液壓錨桿鉆車支護(hù)。頂錨索采用液壓錨桿鉆車支護(hù)。

4 應(yīng)用情況

系統(tǒng)于2020年8月15日在蒙大礦3-1煤層，31104回風(fēng)巷應(yīng)用。日平均進(jìn)尺45m，截至到9月30日，共進(jìn)尺1654m，平均月進(jìn)尺1100m 。31104回風(fēng)巷預(yù)計(jì)兩個半月完成掘進(jìn)任務(wù)。

該系統(tǒng)既滿足日進(jìn)尺50m掘進(jìn)需求，又節(jié)約了設(shè)備投入成本。目前我國3km以下巷道占總掘進(jìn)巷道工程量的一大半，該系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景良好。

5 結(jié) 論

以掘錨機(jī)、液壓錨桿鉆車(含破碎)、大跨距橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、履帶行走式自移機(jī)尾(可伸縮帶式輸送機(jī))組成的高效快速掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)、多臺多臂平行支護(hù)、破碎和運(yùn)輸平行作業(yè)、刮板和膠帶連續(xù)運(yùn)輸、除塵和通風(fēng)有機(jī)結(jié)合、設(shè)備遠(yuǎn)程控制。提高巷道掘進(jìn)效率2.5倍，改變了傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝。滿足了中煤蒙大礦巷道掘進(jìn)需求。同時為3km以下巷道掘進(jìn)工作面提供了可選方案。