超大傾角巷道綜掘技術(shù)應(yīng)用

冀 虎 肖利金

（山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271219）

0 研究背景

在煤炭開采中，綜掘機(jī)應(yīng)用是制約生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。綜掘機(jī)掘進(jìn)在煤礦巷道開拓及煤炭開采中應(yīng)用普遍，一般綜掘機(jī)掘進(jìn)坡度范圍均為±18°。在坡度超過+25°的超大傾角情況下，綜掘機(jī)使用受到影響，存在施工效率低下、人員勞動強(qiáng)度大、安全系數(shù)低等問題。

在煤礦井下超大傾角巷道上山施工過程中，綜掘機(jī)往往出現(xiàn)爬坡無力，前進(jìn)、后退困難，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)溜車現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工安全。因此迫切需要改善生產(chǎn)作業(yè)條件，需研究解決綜掘技術(shù)在超大傾角巷道中的施工技術(shù)難題，提高生產(chǎn)效率及安全作業(yè)條件。

1 工程概述

內(nèi)蒙能源長城六號礦業(yè)有限公司位于鄂爾多斯市鄂托克前旗上海廟礦區(qū)，礦井主要開采煤層為3 層煤、5 層煤及9 層煤。根據(jù)三維地震勘探報告資料綜合分析，煤層大致呈南北走向，傾向東。煤層傾角在26°～32°，平均傾角30°。工作面開采過程中須施工順槽切眼，已滿足回采期間的通風(fēng)、安裝、運(yùn)輸及行人需要。1302 切眼平均坡度+29°，局部+32°，切眼全長175.6m。

2 支護(hù)設(shè)計

1302 切眼采用“錨帶網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)，斷面形狀為矩形。巷道采用機(jī)載液壓支架作為臨時支護(hù)，截割前最大控頂距0.3m，循環(huán)進(jìn)度2.0m，截割后最大控頂距不超2.3m。永久支護(hù)采用錨網(wǎng)帶+錨索支護(hù)形式。

2.1 支護(hù)方式及驗(yàn)算

2.1.1 臨時支護(hù)方法

巷道采用前探梁作臨時支護(hù)，截割前最大控頂距0.3m，循環(huán)進(jìn)度2.0m，截割后最大控頂距不超2.3m。前探梁使用長度不低于4m 的鋼管制作，彎曲變形的前探梁嚴(yán)禁使用；前探梁使用不少于3 根，梁間距800mm～1200mm，使用2 根前探梁前端方木，保證不超過300mm 的兩幫端面超前支護(hù)距離。前探梁、吊環(huán)的強(qiáng)度要與前探梁的強(qiáng)度相匹配，人員必須在前探梁的有效掩護(hù)下作業(yè)。前探梁配合方木，方木規(guī)格：長×寬×厚=1500mm×120mm×120mm；方木上面用木枇加實(shí)貼緊頂板。移前探梁時，其下方嚴(yán)禁有人。頂板完整時，截割前最大空頂距不大于0.3m，截割后最大空頂距不大于2.3m，循環(huán)進(jìn)尺2m。頂板破碎時縮小循環(huán)進(jìn)度為1m。頂板極其破碎時，截割前先打超前錨桿作輔助臨時支護(hù)。

2.1.2 永久支護(hù)方法

1302 切眼永久支護(hù)采用錨網(wǎng)帶+錨索支護(hù)，具體支護(hù)如下。

2.1.2.1 開幫前

巷道凈寬4.0 米、凈高3.0 米，如圖1 所示。

巷道頂板：采用5根MSGLD-335/22×2200錨桿配W鋼帶（4300mm×280mm×3mm）及10#菱形網(wǎng)（4600mm×1100mm）支護(hù)，錨桿托盤采用150×10-28，間排距為1000mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

老空側(cè)幫部：采用4 棵MSGLD-335/22×2200 錨桿配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及10#菱形網(wǎng)（3300mm×1000mm）支護(hù)，錨桿托盤采用150×10-28，幫部肩窩和底角采用異形托盤，間排距為900mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835樹脂錨固劑錨固。

刷大側(cè)幫部：采用2 棵全螺紋式樹脂錨桿玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿體 MGSL-20×2000F （圓形）配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及雙抗塑料網(wǎng)（2600mm×1000mm）支護(hù)，錨桿托盤采用玻璃鋼錨桿專用托盤，間排距為2000×1500mm；每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：距離左幫1100mm、3500mm 各打設(shè)1 棵φ17.8×L6300mm普通礦用錨索，錨索托盤采用300mm×300mm×16mm鋼托盤，間排距2400mm×2000mm，每根錨索采用5 支MSK2835樹脂錨固劑錨固。

2.1.2.2 開幫后

按照凈寬3.0m、凈高3.0m 開南幫，如圖2 所示。

頂板：采用3 根MSGLD-335/22×2200 錨桿配W 鋼帶（3300mm×280mm×3mm）及10#菱形網(wǎng)（3600mm×1100mm）支護(hù)，與原支護(hù)交錯布置，錨桿托盤采用150×10-28，間排距為1000mm×1000mm，每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固；

刷大后幫部：采用3 棵全螺紋式樹脂錨桿玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿體 MGSL-20×2000F （圓形）配鋼帶托盤（400mm×280mm×3mm）及雙抗塑料網(wǎng)（3000mm×1100mm）支護(hù)，錨桿托盤采用玻璃鋼錨桿專用托盤，間排距為1200mm×1500mm；每根錨桿采用2 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

圖1 1302 切眼永久支護(hù)圖（開幫前）

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：距離原支護(hù)錨索2400mm 打設(shè)1 棵φ17.8×L6300mm 普通礦用錨索，錨索托盤采用300×300×16mm 鋼托盤，間排距2400×2000mm，每根錨索采用5 支MSK2835 樹脂錨固劑錨固。

2.1.3 按懸吊理論計算錨桿參數(shù)

公式如下。

式中：f—巖石堅固性系數(shù)，取6；B—巷道寬度，取7.3m；則：L=0.61m。

圖2 1302 切眼永久支護(hù)圖（開幫后）

L =0.1+0.61+0.7 = 1.41m ＜2.2m

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則計算桿體直徑d。

式中：d—錨桿直徑，mm；Q—由拉拔試驗(yàn)確定的錨固力，取130kN；σ—桿體材料的抗拉強(qiáng)度，335MPa；則d=21.9mm＜22mm。

根據(jù)每根錨桿懸吊的巖重，計算錨桿間距排距e、i，通常按錨桿等距排列：

式中：K—錨桿安全系數(shù)，一般取1.5～2.0；γ—被懸吊巖體重力密度，取25 kN/m3。

則：e=i= 1.73m。

錨桿間排距1000mm×1000mm 可以滿足要求。

根據(jù)礦井實(shí)際情況，確定該巷道的支護(hù)參數(shù)：巷道采用錨網(wǎng)帶+錨索支護(hù)，錨桿采用MSGLD-335/22×2200 錨桿，錨桿間排距為1000mm×1000mm，成排成行布置。

根據(jù)選取的支護(hù)參數(shù)計算其支護(hù)密度為q=1/（1×1）=1根/m，能夠滿足支護(hù)要求。

2.2 質(zhì)量要求

質(zhì)量要求如下。1）錨桿的錨固方式采用加長錨， 錨固長度不小于鉆孔長度的1/3， 每根錨桿采用2 卷MSK2835 型樹脂錨固劑錨固，扭矩不小于400N·m，巖石中的錨固力不小于130kN，煤層中的錨固力不小于70kN，保證錨固端在巖石中。錨桿的安設(shè)要垂直于巷壁，與巷壁夾角不小于75°，上下幫肩窩與底角錨桿托盤使用偏心托盤，托盤要緊貼巖面不松動，接觸面積≥80%，螺紋鋼錨桿外露長度為10mm～100mm。兩幫最下一排錨桿距底板不大于300mm，與水平呈10°～30°打入。2）錨索的錨固方式采用加長錨， 錨固長度不小于鉆孔長度的1/3， 每根錨索采用4 支MSK2835 型樹脂錨固劑錨固，錨索預(yù)應(yīng)力不小于200kN，錨索的安設(shè)要垂直于巷壁，與巷壁夾角不小于87°，錨索外露長度為150mm～250mm。3）菱形網(wǎng)，網(wǎng)格50mm×50mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間搭接100mm 緊貼巷道巖面。

2.3 質(zhì)量規(guī)定

質(zhì)量規(guī)定見表1。

3 掘進(jìn)施工方法

3.1 具體方法

沿3 煤頂板掘進(jìn)，采用激光定向，綜掘落煤，綜掘機(jī)一運(yùn)，耙裝機(jī)，刮板輸送機(jī)，再到帶式輸送機(jī)運(yùn)煤的施工方法。小斷面上山掘進(jìn)，然后進(jìn)行刷幫完成大斷面施工。巷道上山掘進(jìn)具體方案如下。1）將綜掘機(jī)二運(yùn)轉(zhuǎn)載皮帶拆除，安裝一部刮板輸送機(jī)在掘進(jìn)機(jī)后部，刮板輸送機(jī)搭載平巷皮帶，解決綜掘機(jī)多余負(fù)載問題，隨著巷道掘進(jìn)，擇機(jī)選擇增加搪瓷溜槽接續(xù)刮板輸送機(jī)。2）現(xiàn)場人為設(shè)計制造緩坡小傾角平臺。給掘進(jìn)機(jī)創(chuàng)造爬升條件，掘進(jìn)機(jī)截割后，掘進(jìn)落煤暫不外運(yùn)，將掘進(jìn)煤墊在綜掘機(jī)履帶輪底部，機(jī)組后部可適當(dāng)多墊，人為制造一個坡度為13°～15°，長度為13m 左右的“臨時底板”（掘進(jìn)機(jī)機(jī)身長為11m），以降低掘進(jìn)巷道底板坡度，使掘進(jìn)機(jī)具備自行爬坡能力。3）掘進(jìn)時，綜掘機(jī)要前后調(diào)整，以便下部浮煤壓實(shí)，避免綜掘機(jī)打滑，待掘進(jìn)通過后，再清理浮煤至設(shè)計斷面，一個循環(huán)一個循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。4）人工制造的臨時底板鋪墊的均為浮煤、浮矸，整體松軟不耐壓，堅決杜絕流水沖刷，在施工時，要特別注意排水，治水。5）掘進(jìn)過程中由于巷道坡度大，為防止掘進(jìn)時煤和矸石竄出或滾落傷人，應(yīng)在中部溜子處架設(shè)擋矸設(shè)施。

表1 綜掘巷道切眼施工質(zhì)量規(guī)定

3.2 綜掘機(jī)生產(chǎn)工藝流程

開機(jī)前安全檢查→校對中線→煤粉監(jiān)測→綜掘機(jī)割、裝、運(yùn)→清浮煤→退出綜掘機(jī)組→敲幫問頂→臨時支護(hù)、鋪網(wǎng)背頂→打錨索、錨桿支護(hù)→下一個循環(huán)。

3.3 檢修工藝流程

檢修前準(zhǔn)備→檢修綜掘機(jī)各部位，加油、更換截齒，檢修各部刮板運(yùn)輸機(jī)→皮帶運(yùn)輸機(jī)及延伸，下料、其他工作→正常掘進(jìn)。

掘進(jìn)工作面最大循環(huán)進(jìn)尺為2000mm，最小循環(huán)進(jìn)尺為1000mm。

4 截割順序和支護(hù)方法

4.1 截割機(jī)具和鉆眼機(jī)具

使用EBZ-200A 型綜掘機(jī)掘進(jìn)，打頂錨桿、錨索眼支護(hù)使用MQT-130 型氣動錨桿鉆機(jī)，打幫錨桿支護(hù)使用7665（7655）M 型風(fēng)鉆進(jìn)行。

4.2 機(jī)組截割順序、方法

4.2.1 開機(jī)順序

將綜掘機(jī)電控箱右側(cè)隔離開關(guān)手柄扳至“接通”位置→將“復(fù)位/警報”開關(guān)旋至“警報”位置→發(fā)出開機(jī)信號→將“油泵啟/停”開關(guān)旋至“啟動”位置→在警報先鳴響5S后油泵電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)→將“截割電機(jī)啟/?！遍_關(guān)旋至“啟動”位置→在警報先鳴響5s 后截割電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)→將“二運(yùn)電機(jī)啟/停”開關(guān)旋至“啟動”位置，二運(yùn)電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2.2 綜掘機(jī)滾筒截割斷面工藝

4.2.2.1 截割工藝

綜掘機(jī)截割完成一個循環(huán)，斷面達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求后退出綜掘機(jī)，使截割部機(jī)頭落地，閉鎖截割部電動機(jī)，斷開綜掘機(jī)上的電源開關(guān)和真空磁力啟動器的隔離開關(guān)，支護(hù)人員在上一循環(huán)永久支護(hù)和前探梁臨時掩護(hù)下，掛網(wǎng)上梯子梁打頂幫錨桿錨索緊固后，再進(jìn)行下一個循環(huán)。

4.2.2.2 斷面支護(hù)方法

在綜掘機(jī)割出一個循環(huán)進(jìn)度后，后退設(shè)備，讓截割頭落地，將截割部電動機(jī)閉鎖，斷開設(shè)備電源開關(guān)和真空磁力啟動器的隔離開關(guān)，嚴(yán)禁專職司機(jī)以外人員操作綜掘機(jī)。作業(yè)人員用不小于2.0mm 長的長柄工具，處理頂幫活矸危巖并進(jìn)行敲幫問頂，確保掘進(jìn)迎頭無安全問題時，支護(hù)人員在上一循環(huán)永久支護(hù)下從外向里前移前探梁臨時支護(hù)→掛網(wǎng)上W鋼帶→打頂錨索→上好W 鋼帶、漲拉鎖具→用錨索漲拉器檢查扭力矩是否合格→打注頂錨索后→打幫錨桿→掛網(wǎng)上托板→扭矩扳手檢查扭力矩是否合格→不合格繼續(xù)增加扭力→合格為止（幫錨桿為400N·m）。截割時，必須要全斷面掛網(wǎng)、錨桿、錨索及時支護(hù)。

5 勞動組織

采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)方式組織生產(chǎn)，“三八”工作制。每班2 個循環(huán)，每日完成5 個循環(huán)（早班檢修，掘進(jìn)一個循環(huán)）。1-1 斷面循環(huán)進(jìn)度2m，日進(jìn)10m，月進(jìn)250m；2-2 斷面，循環(huán)進(jìn)度1m，日進(jìn)度5m，月進(jìn)度125m（影響時間每月總計5 天）。

6 超大傾角巷道掘進(jìn)綜掘安全技術(shù)措施

6.1 平行作業(yè)

為了使 EBZ-200A 型綜掘機(jī)發(fā)揮最大功效，提高巷道掘進(jìn)速度，在掘進(jìn)和運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)能力有保障的情況下，研究加快支護(hù)速度、提高質(zhì)量顯得尤為重要。在巷道的掘進(jìn)中采用多臺MQT-130 型氣動錨桿鉆機(jī)施工頂部錨桿、錨索眼，多臺7665（7655）M 型風(fēng)鉆施工幫部錨桿眼的頂幫聯(lián)合平行作業(yè)的方式，減少調(diào)機(jī)時間和次數(shù)，協(xié)調(diào)好截割與支護(hù)的關(guān)系?？s短頂幫暴露時間、減少施工過程中片幫、冒頂危害，保障施工安全和進(jìn)度。

6.2 綜掘機(jī)安全使用措施

綜掘機(jī)安全使用措施如下。1）綜掘機(jī)必須裝有只準(zhǔn)以專用工具開、閉的電氣控制回路開關(guān)，專用工具必須由專職司機(jī)保管。2）施工過程中，綜掘機(jī)上所有的安全閉鎖、保護(hù)裝置必須堅持使用，嚴(yán)格禁止擅自改動或者甩掉不用，液壓系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)各部的壓力不經(jīng)專業(yè)人員指導(dǎo)，不得隨意調(diào)整。3）安排專職司機(jī)操作綜掘機(jī)，必須全部斷開綜掘機(jī)上的電源開關(guān)并閉鎖，否則司機(jī)嚴(yán)禁離開操作臺。4）綜掘機(jī)操作側(cè)對側(cè)，必須安裝緊急停止按鈕。專人定期試驗(yàn)，有隱患及時處理，隱患未處理嚴(yán)禁繼續(xù)使用該綜掘機(jī)，記錄存檔被查。5）綜掘機(jī)開動前，必須發(fā)警報。確認(rèn)綜掘機(jī)鏟板前方及截割臂附近無人時，方可開動設(shè)備。施工過程中不論是開機(jī)、退機(jī)或調(diào)機(jī)，必須發(fā)出報警信號。6）綜掘機(jī)作業(yè)時，要嚴(yán)格按規(guī)定使用內(nèi)、外噴霧裝置，配合除塵器形成綜合防塵系統(tǒng)，以便對掘進(jìn)迎頭含塵氣流進(jìn)行有效控制。機(jī)載內(nèi)噴霧裝置工作壓力不得小于2.0 MPa，外噴霧裝置工作壓力不得小于4.0MPa。綜掘機(jī)出現(xiàn)無水、噴霧裝置損壞、霧化不好等以上任意情況必須停機(jī)。7）截割部運(yùn)行時，嚴(yán)禁人員在截割臂下停留和穿越，機(jī)身與煤（巖）壁之間嚴(yán)禁站人。8）迎頭交班或者綜掘機(jī)停止工作時，必須將綜掘機(jī)截割部落地，將鏟板、一運(yùn)和二運(yùn)上的余煤矸排凈，全部斷開綜掘機(jī)上的電源開關(guān)、磁力啟動器等隔離開關(guān)并閉鎖。9）綜掘機(jī)檢修時，其他人員嚴(yán)禁在截割臂、截割頭和轉(zhuǎn)載橋下方停留或作業(yè)。10）每班掘進(jìn)前，班組長要和綜掘機(jī)司機(jī)一起認(rèn)真檢查迎頭圍巖和支護(hù)、通風(fēng)、瓦斯及設(shè)備周圍情況，確保工作場所安全、整潔、無障礙物。11）檢修綜掘機(jī)、綜掘機(jī)停止作業(yè)或交班前，人員在迎頭施工時，首先將綜掘機(jī)退至迎頭外5 米，然后將截割頭落地，開關(guān)停電閉鎖，并在截割頭上安裝防護(hù)罩，防止截割頭傷人。12）綜掘機(jī)開機(jī)前，對機(jī)器必須進(jìn)行檢查。13）經(jīng)檢查現(xiàn)場無異常，并確認(rèn)機(jī)器正常，作業(yè)人員撤到安全區(qū)域后，可合上電源總開關(guān)，按操作規(guī)程要求的正規(guī)程序進(jìn)行空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)起動。14）綜掘機(jī)開機(jī)前必須發(fā)出警報信號，閉合隔離開關(guān)，按設(shè)備操作規(guī)定順序起動設(shè)備。一般情況下起動順序：液壓泵→放下鏟板→鏟板貼緊底板→后支撐貼緊底板→二運(yùn)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)→一運(yùn)刮板輸送機(jī)→鏟板行星輪→截割頭。15）按施工作業(yè)規(guī)程進(jìn)行截割工作，現(xiàn)場觀察根據(jù)不同性質(zhì)巖層，確定最佳截割方式。截割深度決定于圍巖的截割阻力，截割的速度取決于瓦斯的涌出量及風(fēng)量，一般以液壓系統(tǒng)的壓力不超整定值、截割電機(jī)接近滿載、設(shè)備不產(chǎn)生強(qiáng)烈震動、掘進(jìn)落煤效率最高為宜，通常推薦截割深度為截割頭直徑的2/3。16）迎頭過斷層時，要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況制定補(bǔ)充專項(xiàng)措施。通過下壓正斷層時，可采用后退臥底法，嚴(yán)格按中腰線設(shè)計施工，下盤巷道超高處及時補(bǔ)打錨網(wǎng)支護(hù)，上盤挑需要頂掘進(jìn)確保巷道高度；當(dāng)巷道通過上跳正斷層時，采用后退或者直接割頂法，直接割頂法：綜掘機(jī)直接將上盤頂板或者下盤煤挑至頂板、下盤可根據(jù)斷層落差來最終確定臥底尺寸。并在兩盤結(jié)合處通過補(bǔ)打錨索等方式加強(qiáng)支護(hù)。17）巷道掘進(jìn)時，迎頭要做到底板平、兩幫直，無傘檐，施工高度符合掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程要求。迎頭掘進(jìn)遇斷層或者構(gòu)造時，必須制定專項(xiàng)施工措施，嚴(yán)格按綜掘機(jī)設(shè)計截割硬度截割。迎頭掘進(jìn)后要盡快支護(hù)，減少圍巖暴露時間，及時支護(hù)新暴露出來的圍巖，施工過程中要及時摘除圍巖懸矸。在掘進(jìn)過程中發(fā)生片幫、掉頂時，要立即停止截割，緊急采取適當(dāng)措施，加強(qiáng)頂板及兩幫維護(hù)，避免發(fā)生冒頂事故。

7 結(jié)語

在傾角綜掘機(jī)施工工藝在大坡度煤巷掘進(jìn)，尤其是在超大傾角煤巷掘進(jìn)中優(yōu)勢明顯，通過該方案的現(xiàn)場實(shí)施，平均日進(jìn)尺由之前的4m 提升至6m 以上，施工效率提高50%，取得了比較理想的效果，達(dá)到了預(yù)期目的。在同類或類似工程條件下，不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也有良好的社會效益，具有一定的推廣價值。