機(jī)載錨桿鉆機(jī)巷道支護(hù)及煤層注水技術(shù)應(yīng)用

阮進(jìn)林，李旺年，鐘自成

(1.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 保德煤礦，山西 保德 036600；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國90%以上煤礦生產(chǎn)屬于井工開采，巷道掘進(jìn)作為煤炭開采的先行工序，是煤礦安全開采的前提。近年來，隨著掘進(jìn)裝備的不斷發(fā)展和錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用，快速掘錨技術(shù)已成為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的關(guān)鍵[1，2]。目前，神東保德煤礦采用的是掘錨機(jī)組掘進(jìn)工藝，主要的配套設(shè)備由掘錨機(jī)、梭車、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)組成，由掘錨機(jī)完成落煤、裝煤和支護(hù)工序[3-5]。由于掘錨機(jī)兩側(cè)配套側(cè)幫錨桿鉆機(jī)僅能完成巷道兩幫四排錨桿孔中的中間兩排錨桿孔施工，最上排錨桿孔由人工手持風(fēng)動鉆機(jī)來施工，造成輔助作業(yè)時間長、作業(yè)環(huán)境差、占用人員多、工人勞動強(qiáng)度大、掘進(jìn)效率低等[6-8]。

此外，在煤礦開采過程中，幾乎各道工序都會產(chǎn)生粉塵。尤其是針對高產(chǎn)、高效的機(jī)械水平較高的采掘工藝，工作面空氣粉塵污染十分嚴(yán)重，其產(chǎn)塵量占全礦井的85%以上[9，10]。煤礦粉塵存在的危害主要有：①粉塵的爆炸危害，煤礦井下作業(yè)環(huán)境相對比較封閉，在狹小的空間內(nèi)如果空氣中的粉塵濃度超過一定比例后就容易發(fā)生爆炸，1949—2018年全國煤礦發(fā)生的25起死亡百人以上特大事故中，有14起為粉塵爆炸事故或瓦斯爆炸事故，粉塵爆炸后果嚴(yán)重；②粉塵的職業(yè)健康危害，粉塵是煤礦安全生產(chǎn)過程中最主要的職業(yè)危害，工人長期吸入較高濃度呼吸性粉塵可導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生，我國煤礦工人塵肺病發(fā)病、致死情況十分嚴(yán)重，截至2018年，我國累計報告職業(yè)病病例97.6萬例，煤炭行業(yè)塵肺病占塵肺病的50%左右[11，12]。目前國內(nèi)掘進(jìn)面防降塵主要采用除塵風(fēng)機(jī)、掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧的被動方式[13-15]，而除塵風(fēng)機(jī)由于體積大、成本高、維修難度大，使用受到了一定的限制，掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧方式由于技術(shù)難題，常常堵塞，外噴霧霧化由于疏水性粉塵難以被濕潤，效果也不太好，在水壓不足的情況下，不僅會影響粉塵防治效果，還會導(dǎo)致掘進(jìn)工作面發(fā)生積水問題，因而降塵難度大[16-18]。縱觀各類除塵方法，煤層注水工藝具有降塵明顯等諸多優(yōu)點，但通常選用鉆機(jī)與掘錨機(jī)交替施工，成本高、效率低。因此，引入MJZ-400/300E型機(jī)載錨桿鉆機(jī)(以下簡稱鉆機(jī))，代替人工完成巷道兩幫上排錨桿孔施工，同時實現(xiàn)掘進(jìn)面迎頭煤層注水孔的施工。

1 鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

該鉆機(jī)是一款為掘錨機(jī)配套使用的機(jī)載錨桿鉆機(jī)，不僅可以完成巷道兩幫幫錨桿支護(hù)作業(yè)，也可以完成掘進(jìn)工作面煤層注水孔的施工。鉆機(jī)可安裝于本體設(shè)備上進(jìn)行施工，不影響本體設(shè)備的使用。鉆機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)的主要性能參數(shù)

鉆機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸小，與掘錨機(jī)配套適用性強(qiáng)，可實現(xiàn)多角度鉆孔施工，主要由調(diào)角裝置、給進(jìn)裝置、夾持器、回轉(zhuǎn)器和接管板等組成。在調(diào)角油缸的作用下，可以實現(xiàn)主軸傾角0°～10°的調(diào)節(jié)，在回轉(zhuǎn)減速器的作用下，可以實現(xiàn)方位角-90°～90°的調(diào)節(jié)。鉆機(jī)工作所用的動力液由掘錨機(jī)的液壓系統(tǒng)提供，在調(diào)角油缸的控制回路中設(shè)有平衡閥，保證鉆機(jī)的工作安全性，在回轉(zhuǎn)減速器的控制回路中設(shè)置有液壓鎖，保證鉆機(jī)的工作穩(wěn)定性。

2 錨桿支護(hù)及掘進(jìn)面煤層注水技術(shù)方案

2.1 巷道兩幫上排錨桿支護(hù)總體方案

保德煤礦81309回撤通道掘進(jìn)面的巷高為3800mm，采用“四排矩形”布置方式，最上排幫錨桿距頂板為200～300mm，錨桿間排距為900mm×1000mm。使用2800mm×1200mm及1200mm×10000mm的金屬網(wǎng)(片幫嚴(yán)重時使用3200mm×1200mm的金屬網(wǎng)及1200mm×10000mm的金屬網(wǎng))，選用?18mm×2100mm的圓鋼錨桿、8mm×140mm×300mmΩ托盤。保德煤礦81309回撤通道掘進(jìn)面斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)面斷面錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)(mm)

2.2 掘進(jìn)面迎頭煤層注水總體方案

按照保德礦81309回撤通道掘進(jìn)面日掘進(jìn)循環(huán)及煤層注水降塵需求，在掘進(jìn)迎頭布置3個煤層注水孔，孔深22m，孔徑?42mm，3個煤層注水孔水平布置，均垂直距離巷道頂板約0.7m，2號煤層注水孔布水平布置在巷道中線上，1號煤層注水孔左偏2號煤層注水孔約0.6m，3號煤層注水孔右偏2號煤層注水孔約0.6m。為了便于鉆進(jìn)施工時出渣、抽取鉆桿，3個煤層注水孔均沿水平方向向上偏移5°。3個煤層注水孔布置方案如圖2所示。

圖2 煤層注水孔布置方案(mm)

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

3.1 巷道兩幫上排錨桿支護(hù)施工工藝

巷道兩幫錨桿的支護(hù)工藝為：鋪網(wǎng)—鉆孔—安裝錨桿—緊固錨桿。開始支護(hù)幫錨桿時，首先掘錨機(jī)上面的支護(hù)工將幫網(wǎng)展開，鋪到煤幫上，將幫網(wǎng)與頂網(wǎng)先用幾道鐵絲固定住，支護(hù)工利用掘錨機(jī)自帶的側(cè)幫錨桿鉆機(jī)及頂部平臺安裝的上機(jī)載錨桿鉆機(jī)同時支護(hù)幫錨桿，將網(wǎng)片搭接處壓實；巷道兩幫上排錨桿支護(hù)的鉆孔使用安裝在掘錨機(jī)頂部平臺的鉆機(jī)，其可以實現(xiàn)方位角-90°～90°的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)減速器及調(diào)角油缸精確定位給進(jìn)點。

鉆孔施工完成后，取規(guī)定數(shù)量的樹脂藥卷放入孔內(nèi)，然后用錨桿頂住藥卷穿入孔內(nèi)，將錨桿放入攪拌器，將動力頭伸出，直至錨桿底部到達(dá)孔口約20mm處，轉(zhuǎn)動攪拌器，攪拌樹脂，時間為8～12s，然后安裝錨桿將托盤緊貼側(cè)幫，樹脂藥卷的凝膠時間為8～25s，并等待10～30s；待樹脂凝固后，操作動力頭回轉(zhuǎn)手柄，緊固錨桿，直至錨桿達(dá)到規(guī)定的錨固力及扭矩，必要時采取二次緊固，如緊固過程中錨桿失效，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)打錨桿。

3.2 掘進(jìn)面迎頭煤層注水施工工藝

掘進(jìn)面迎頭煤層注水的施工工藝為：掘進(jìn)—鉆孔—封孔—注水。煤層注水孔也使用安裝在掘錨機(jī)頂部平臺的鉆機(jī)，通過調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)減速器及調(diào)角油缸精確定位給進(jìn)點。為保持與錨桿支護(hù)的鉆具匹配，鉆桿采用錨桿支護(hù)通用B19金屬鉆桿，鉆頭為?42mm煤鉆頭。

煤層注水孔施工完成后，進(jìn)行煤層注水施工工序：由通風(fēng)隊安裝鉆孔注水封孔器并連接配套控制閥門、膠管等，利用注水孔進(jìn)行注水；注水過程中適當(dāng)對控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，煤層注水流量不宜過大，小流量對煤層濕潤效果更好，注水結(jié)束后由掘錨隊負(fù)責(zé)拆除注水設(shè)備并現(xiàn)場保存，方便下次使用；掘進(jìn)工作面每推進(jìn)20m，實驗室對工作面煤層含水量測定一次，打鉆取樣深度為10m，要求注水后煤體含水量不小于4%；最后由通風(fēng)隊瓦檢員負(fù)責(zé)做好注水相關(guān)記錄，并由測塵員做好煤層注水前后的粉塵測定和數(shù)據(jù)對比工作。

3.3 試驗效果

巷道兩幫上排錨桿支護(hù)。鉆機(jī)在保德煤礦81309回撤通道進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。共施工鉆孔110個，其中巷道兩幫上排錨桿孔106個，煤層注水孔4個，最大孔深30m。鉆機(jī)每班施工鉆孔情況見表2。

通過現(xiàn)場統(tǒng)計表明，使用鉆機(jī)較人工使用手持鉆機(jī)進(jìn)行巷道兩幫上排錨桿孔施工，作業(yè)人數(shù)由2人減為1人，完成巷道兩幫上排錨桿支護(hù)的平均作業(yè)時間由原來的25min降為15min，同時鉆機(jī)施工較人工進(jìn)行錨桿支護(hù)的成排、成行效果更好。

表2 鉆機(jī)施工鉆孔情況統(tǒng)計表

掘進(jìn)面迎頭煤層注水施工。煤層注水試驗期間，除掘進(jìn)面迎頭煤層注水外，沒有采取煤機(jī)外噴霧、除塵風(fēng)機(jī)、回風(fēng)流降塵噴霧等其他除塵措施，煤層注水前后粉塵濃度對比情況見表3。

表3 81309回撤通道掘進(jìn)面注水前后粉塵濃度對比表

由表3可知，81309回撤通道掘進(jìn)面迎頭煤層注水前后其掘進(jìn)迎頭全塵和呼塵的最大降塵率分別為26.63%和41.28%，掘進(jìn)面粉塵濃度得到了較大程度的降低，特別是對降低呼吸性粉塵有明顯效果。

4 結(jié) 論

1)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸小，與掘錨機(jī)配套適用性強(qiáng)，可實現(xiàn)多角度鉆孔施工，可滿足巷道兩幫錨桿支護(hù)和掘進(jìn)迎頭煤層注水孔等多功能施工需求，改善掘進(jìn)面工作環(huán)境。

2)使用鉆機(jī)施工巷道兩幫上排錨桿孔較人工手持氣動鉆機(jī)施工效率提高40%，極大地降低了工人的勞動強(qiáng)度。

3)鉆機(jī)的最大扭矩為400N·m，可以提供較大預(yù)緊力，錨桿支護(hù)成排、成行效果好，錨桿支護(hù)一次性施工合格率提高了5%。