煤礦快速掘進(jìn)裝備拐彎開口技術(shù)應(yīng)用與研究

張士魁 田 寶

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100）

隨著科技進(jìn)步，煤礦機(jī)械化、自動化以及智能化浪潮沖擊著煤礦這個老傳統(tǒng)行業(yè)，安全、高效、綠色的要求給煤礦施加重重壓力[1-2]。煤礦普遍面臨著采掘接替緊張，提高綜掘的單進(jìn)水平成為需要解決的重要課題[3-6]。巷道機(jī)掘受礦井地質(zhì)情況、巷道斷面和支護(hù)形式及設(shè)備本身情況的影響，目前已無法滿足快速掘進(jìn)需求。由于快掘設(shè)備較普通綜掘設(shè)備更長更寬，巷道拐彎難度較大，1113 巷快掘工作面施工到位后，利用快掘設(shè)備拐彎施工1113 切巷，為礦井快速機(jī)掘探索新思路。

1 概況

1.1 地質(zhì)概況

巷道位于11 煤一采區(qū)，巷道自一采區(qū)輔助泄水巷X13 點(diǎn)前16 m 按方位角185°開門施工，東側(cè)為1113 工作面，西側(cè)為1115 工作面（未施工），北側(cè)為一采區(qū)輔助泄水巷，南側(cè)貫通一采區(qū)軌道巷。1113 巷掘進(jìn)范圍揭露的圍巖巖性主要為：11 煤為塊狀～粉末狀，以亮煤為主，含少量鏡煤、暗煤條帶及微量絲炭，為半亮～半暗型煤，條帶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，煤的無機(jī)組分以黃鐵礦為主，次為粘土礦物和石英。煤層平均厚度2.02 m，煤層硬度系數(shù)f 為2～4，煤層層理與節(jié)理發(fā)育程度簡單。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

根據(jù)工作面相鄰1111 巷掘進(jìn)期間實(shí)際揭露的資料分析，沿掘進(jìn)方向工作面前800 m 煤層整體呈1°～6°下山，800～1100 m 整體呈1°～2°上山，后600 m 整體呈3°～8°下山。1113 巷前800 m 掘進(jìn)過程中揭露構(gòu)造的可能性較小。

1.2 煤巷綜掘機(jī)直角拐彎開口設(shè)計(jì)

巷道在拐彎開口前，根據(jù)工作面實(shí)際情況，制定施工方案，根據(jù)綜掘機(jī)（快速掘進(jìn)裝備）設(shè)備尺寸參數(shù)、巷道的寬度、開口方位位置及開口角度，拿出綜掘機(jī)（快速掘進(jìn)裝備）拐彎開口施工曲線設(shè)計(jì)圖及錨桿錨索布置支護(hù)設(shè)計(jì)圖，并制定相應(yīng)支護(hù)設(shè)計(jì)。以A 段巷道向B 段巷道拐彎為例，綜掘機(jī)（快速掘進(jìn)裝備）拐彎開口設(shè)計(jì)中包含綜掘機(jī)（快速掘進(jìn)裝備）拐彎開口跨度設(shè)計(jì)以及綜掘機(jī)拐彎開口期間A、B 兩條巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，如圖1。

圖1 快速掘進(jìn)裝備拐彎示意圖（mm）

綜掘機(jī)拐彎開口剩余10～15 m 前，需縮小A段巷道錨桿、錨索排距（在原基礎(chǔ)上縮小100～200 mm），調(diào)整錨索支護(hù)形式并加密錨索，以加強(qiáng)綜掘機(jī)拐彎開口期間A 段巷道的頂板管理。A 段巷道掘進(jìn)至B 段巷道設(shè)計(jì)拐彎開口位置時，要變更B 段巷道開口處幫部支護(hù)情況，將高強(qiáng)錨桿、菱形網(wǎng)變?yōu)樗芰襄^桿及塑料網(wǎng)，便于綜掘機(jī)拐彎開口期間快速截割。綜掘機(jī)拐彎開口施工B 段巷道時，必須嚴(yán)格執(zhí)行短掘短支，掘進(jìn)一排、永久支護(hù)一排，同時縮小B 段巷道錨桿、錨索排距（在原基礎(chǔ)上縮小100～200 mm），并根據(jù)拐彎開口跨度情況合理布置錨索，以加強(qiáng)B 段巷道拐彎開口期間頂板管理。

2 工程實(shí)例

2.1 理論計(jì)算

通過理論計(jì)算，綜掘機(jī)直角拐彎開口需要滿足綜掘機(jī)機(jī)身中心線與現(xiàn)有巷道呈45°夾角時，綜掘機(jī)機(jī)身前后兩點(diǎn)間距應(yīng)為綜掘機(jī)拐彎的最小距離，如圖2。

圖2 綜掘機(jī)拐彎開口跨度計(jì)算示意圖（m）

兩條巷道的拐角點(diǎn)必須過綜掘機(jī)機(jī)身的中點(diǎn)，根據(jù)以上兩個基本條件初步計(jì)算出拐彎開口位置，同時考慮綜掘機(jī)最寬部分（鏟板）寬度的一半，計(jì)算出實(shí)際的拐彎開口位置。

2.2 快速掘進(jìn)設(shè)備參數(shù)

EJM270/4-2 掘錨一體機(jī)（1#機(jī)）外形尺寸：長×寬×高=11.9 m×4.6 m×3.1 m（機(jī)身前4 m 設(shè)備寬4.6 m，后3 m設(shè)備寬3.5 m）。截割滾筒寬4.9～5.4 m，兩側(cè)伸縮長度0.25 m；鏟板寬度4.5～5.4 m，兩側(cè)伸縮長度0.45 m。刮板輸送機(jī)溜頭長3 m，左右擺動夾角為45°。CMM5-20煤礦用液壓錨桿鉆車（2#機(jī)）外形尺寸：長×寬×高=11.9 m×4.4 m×3.1 m。

2.3 快速掘進(jìn)裝備拐彎前準(zhǔn)備工作

根據(jù)掘錨一體機(jī)設(shè)備外形尺寸與EBZ-260 綜掘機(jī)外形尺寸相比，掘錨一體機(jī)比綜掘機(jī)長1.3 m、寬1.1 m，考慮其拐彎半徑，前期需要準(zhǔn)備工作：A段施工到位后，將掘錨一體機(jī)退后20 m 對右?guī)瓦M(jìn)行刷寬0.7 m 形成吊裝硐室，巷寬由5.4 m 增加為6.1 m；1#、2#機(jī)分家運(yùn)輸，2#機(jī)緊靠A 段右?guī)停?#機(jī)拐彎刷擴(kuò)時2#機(jī)做好接煤工作，自移機(jī)尾緊跟2#機(jī)運(yùn)輸。

2.4 快速掘進(jìn)裝備拐彎施工工藝

將掘錨一體機(jī)、錨桿鉆車、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)分家→掘錨一體機(jī)配合錨桿鉆車進(jìn)行拐彎并擺正→將錨桿鉆車、自移機(jī)尾開至A 段末端→安裝40T 溜子與錨桿鉆車進(jìn)行搭接→40T 溜子運(yùn)輸掘進(jìn)40 m →拆40T 溜子→安裝電磁滾筒皮帶→施工B 段到位。

2.5 快速掘進(jìn)裝備拐彎設(shè)計(jì)及拐彎方法

由于掘錨一體機(jī)截割臂無法左右擺動，只能通過調(diào)整掘錨一體機(jī)機(jī)身以“剃頭”方式進(jìn)行刷擴(kuò)，利用截割滾筒兩側(cè)伸縮滾筒進(jìn)行進(jìn)刀。考慮拐彎跨度增大，頂板支護(hù)困難，從安全角度考慮，掘錨一體機(jī)拐彎最大跨度按13.8 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）拐彎曲線參數(shù)。先將掘錨一體機(jī)退后13.8 m，對巷道左幫刷擴(kuò)開口，如圖3。在A 段及B 段口各安一組中線（中線左為0.8 m），根據(jù)原A段內(nèi)中線來確定拐彎期間的弧度（中線距左幫的距離）。拐彎期間排距0.9 m 進(jìn)行施工，即第一排跨度1.2 m，第二排跨度1.5 m，第三排跨度1.9 m，第四排跨度2.3 m，第五排跨度2.7 m，第六排跨度3.1 m，第七排跨度3.8 m，第八排跨度4.5 m，第九排跨度5.8 m，第10 排跨度6.3 m。拐彎開口施工作業(yè)6 m 后，巷道支護(hù)參數(shù)按照B 段支護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)步施工。

圖3 拐彎曲線示意圖（mm）

（2）掘錨一體機(jī)拐彎施工方法。掘錨一體機(jī)從A 段向左拐彎時，先將掘錨一體機(jī)退后至距B 段右?guī)?3.8 m 處，而后采用掘錨一體機(jī)截割滾筒對左幫刷擴(kuò)拐彎開口，將滾筒縮至4.9 m 擺動機(jī)身使左側(cè)滾筒緊貼煤壁，啟動滾筒后利用滾筒伸縮部分（0.25 m）進(jìn)刀，進(jìn)刀后上下擺動截割臂進(jìn)行成巷，隨后采用“剃頭”方式向前移動機(jī)身并伸出大臂進(jìn)行刷擴(kuò)達(dá)規(guī)定寬度。期間及時核對中線確?？缍确弦?，拐彎跨度達(dá)不到掘錨一體機(jī)拐彎要求、掘錨一體機(jī)不能繼續(xù)向前刷擴(kuò)時，采用人工使用風(fēng)鎬對拐彎刷擴(kuò)區(qū)域進(jìn)行局部刷擴(kuò)，或者將掘錨一體機(jī)退至進(jìn)刀位置擺動機(jī)身重新“剃頭”達(dá)到要求，直到滿足掘錨一體機(jī)拐彎刷擴(kuò)要求時，再進(jìn)行拐彎刷擴(kuò)。如圖4。

圖4 拐彎示意圖（mm）

掘錨一體機(jī)拐彎時，錨索要按照巷道跨度和原有錨索疏密分布進(jìn)行布置。隨著掘錨一體機(jī)的施工，在1113 切巷開口處施工第一組錨桿錨索18 根（錨桿7 根、錨索7 根），間距850（800）mm，距原巷道左幫第一根錨桿500 mm；在距第一組錨桿錨索0.9 m 處施工第二組錨桿（14 根）；在距第二組錨桿0.9 m 處施工第三組錨桿錨索11 根（5 根錨索、6 根錨桿）；在距第三組錨桿錨索0.9 m 處施工第四組錨桿（9 根）；再繼續(xù)以0.9 m 排距施工兩組錨桿錨索后，巷道內(nèi)錨桿錨索按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。如圖5。

圖5 拐彎錨索布置示意圖（mm）

2.6 其他

（1）由于1113 巷拐彎區(qū)間段傾角6°，左低右高，且滾筒為橫向，導(dǎo)致左幫開口刷擴(kuò)期間破壞原支護(hù)。為不破壞原支護(hù)（重點(diǎn)為錨索），現(xiàn)場拐彎期間頂板留有0.3～0.4 m 泥巖需要人工刷擴(kuò)。

（2）拐彎刷擴(kuò)期間，對切巷老山側(cè)刷擴(kuò)時，由于滾筒為橫向截割，導(dǎo)致老山跨度達(dá)不到掘錨一體機(jī)拐彎要求，需要人工使用風(fēng)鎬對老山側(cè)局部三角區(qū)域進(jìn)行刷擴(kuò)，直到滿足切巷寬度。

3 應(yīng)用效果

（1）工作面成型規(guī)整。綜掘機(jī)、掘錨一體機(jī)拐彎開口巷道一次成型，提高了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化水平。

（2）施工工序相對簡單。綜掘機(jī)、掘錨一體機(jī)直接開口，簡化了掘進(jìn)工藝，降低了勞動強(qiáng)度及生產(chǎn)材料消耗，取代炮掘人工開口拐彎難度，提高安全系數(shù)，有利于煤礦的安全管理。

（3）大幅提高生產(chǎn)效率。巷道拐彎開口機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)，利用綜掘機(jī)及掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)拐彎開口再配合40T 溜子出矸，割煤裝煤一體作業(yè)，減少人工出渣勞動強(qiáng)度，生產(chǎn)效率提高幅度大。