煤礦井下巷道掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)探討

鄭建偉

（焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司趙固一礦，河南 輝縣 453600）

引言

雖然井下在掘進(jìn)過程中，整體的機(jī)械化水平提升增加，但是在掘進(jìn)時，多數(shù)情況下選擇使用的是錨網(wǎng)索支護(hù)方式，這種支護(hù)方式雖然在淺部取得了較好效果，但是在深部支護(hù)時，表現(xiàn)了較多的不足，特別在進(jìn)行錨桿支護(hù)的過程中，占據(jù)了掘進(jìn)支護(hù)較多的時間，掘進(jìn)效率下降明顯。從綜掘施工來看，錨桿鉆機(jī)在使用過程中，容易受到地質(zhì)條件制約，如果頂板整體條件不好，在支護(hù)時，在較短的掘進(jìn)距離情況下，就需要進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)致掘進(jìn)的速度非常慢。從傳統(tǒng)的使用單體錨桿鉆機(jī)來看，在輔助作業(yè)方面所需時間相對較長，巷道單進(jìn)水平偏低，工人勞動強(qiáng)度相對較大，對巷道掘進(jìn)帶來的負(fù)面影響明顯。選擇使用掘進(jìn)和錨固一體化的方式，在進(jìn)行支護(hù)時，可以實現(xiàn)掘進(jìn)和支護(hù)平行作業(yè)，不僅可以提升掘進(jìn)效果，還可以有效增強(qiáng)支護(hù)效果。

1 工程概況

趙固一礦巷道布置在3#煤層中，從開采地質(zhì)情況來看，煤芯整體呈現(xiàn)出塊狀，整體較為堅硬，對于頂部煤芯呈現(xiàn)粉狀、塊狀，表1 為巷道頂?shù)装迩闆r圖。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r圖

2 巷道掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢

掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)相對于其他技術(shù)有著較為明顯的優(yōu)勢。第一，實現(xiàn)了掘進(jìn)和支護(hù)的一體化，巷道臨時支護(hù)和截割同步進(jìn)行作業(yè)，截割整體穩(wěn)定性較強(qiáng)。第二，掘進(jìn)和錨固實現(xiàn)了平行，將截割落煤與巷道進(jìn)行永久支護(hù)在同個設(shè)備中采取并行作業(yè)的方式完成。第三，實現(xiàn)了快速截割，在截割落煤時，本次選擇使用的是伸縮滾筒，一次成巷的效果較好。整體成巷質(zhì)量較高。第四，實現(xiàn)平行支護(hù)效果。選擇使用空間多維度同步支護(hù)的方式，巷道所需的永久支護(hù)，通過空間中多個設(shè)備多個工位平行作業(yè)完成。第五，達(dá)到了連續(xù)進(jìn)行運(yùn)輸?shù)男Ч?。在掘錨一體化快速掘進(jìn)中，形成了多級連續(xù)運(yùn)輸?shù)姆绞剑ＷC可以達(dá)到連續(xù)掘進(jìn)，同時后續(xù)進(jìn)行的支護(hù)作業(yè)同步跟進(jìn)[1]。

3 掘錨一體化快速掘進(jìn)集成配套技術(shù)

掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)需要從環(huán)境、設(shè)備、人等方面實現(xiàn)深度融合，形成了一個相對完整的支護(hù)和掘進(jìn)系統(tǒng)，并非使用傳統(tǒng)的單一功能掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)，見圖1。在具體工作的過程中，對于掘進(jìn)作業(yè)、支護(hù)作業(yè)平行進(jìn)行，同時，在截割、裝載及支護(hù)方面也實現(xiàn)了平行作業(yè)[2]。

圖1 掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)配套

4 巷道掘錨一體化施工輔助設(shè)備

為了更好滿足煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件要求，本次在掘進(jìn)的過程中，對割煤工序、液壓頂篷等環(huán)節(jié)的施工進(jìn)行了全面提升，特別是在其中使用了煤壁落煤阻擋裝置，更好保證了掘錨一體化施工。首先是液壓頂篷加工，主要包含有千斤頂、頂板臨時支護(hù)及耳子等，見圖2[3]。

圖2 液壓頂棚加工圖

其次是煤壁落煤阻擋裝置。在掘錨機(jī)施工的過程中，為了防止出現(xiàn)崩落煤體給施工人員安全造成威脅的問題，本次增加了煤壁落阻擋裝置，見圖3。最后是掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀路線，見圖4。

圖3 煤壁落煤阻擋裝置

圖4 掘錨機(jī)割煤支護(hù)工序

5 巷道掘錨一體化快速掘進(jìn)技術(shù)要點

5.1 技術(shù)特征

結(jié)合本次巷道所處位置的地質(zhì)條件，本次掘錨一體化快速掘進(jìn)機(jī)組最大掘進(jìn)高度為4.9 m，最寬的掘進(jìn)寬度為6 m，可以實現(xiàn)沿頂掘進(jìn)的能力。同時，通過借助前部機(jī)載鉆壁、后鉆、機(jī)載手持液壓鉆的方式，可以達(dá)到對巷道進(jìn)行全面支護(hù)的效果。鉆壁在旋轉(zhuǎn)時，可以達(dá)到無死角轉(zhuǎn)動，工作面錨索、錨桿孔和掘進(jìn)工作面的探測鉆孔，可以實現(xiàn)機(jī)械化施工[4]。

在機(jī)身的兩側(cè)有可以前后移動的滑移機(jī)構(gòu)，本次滑移的距離超過了4 m，確保在機(jī)組掘進(jìn)的過程中不受任何影響。對于臨時支護(hù)機(jī)構(gòu)，本次選擇使用支撐力超過20 kN，形狀為矩形且可以伸縮的臨時支護(hù)方式，保證支護(hù)效果。同時，在進(jìn)行頂板支護(hù)時，支護(hù)體展開的寬度超過了2.8 m，對于臨時支護(hù)、站人操作平臺，本次設(shè)計采用一體支護(hù)方式，對于工作業(yè)人員施工較為便利。對于本次使用的掘錨機(jī)，鉆壁數(shù)量是四臺，包含有兩臺前部鉆機(jī)和兩臺液壓支腿鉆機(jī)[5]。

5.2 掘錨機(jī)施工工藝流程

掘錨機(jī)在本次施工的過程中，主要流程為：首先進(jìn)行安全檢查，重點為巷道頂?shù)装?、兩幫、瓦斯含量、探頭位置等進(jìn)行全面檢查，其次進(jìn)行切割出煤，在出煤了之后，技術(shù)人員需要在現(xiàn)場開展安全檢查。對巷道開展永久支護(hù)，對于底板應(yīng)當(dāng)做好修整，反復(fù)進(jìn)行上述操作。圖5 是掘錨機(jī)施工流程圖。

圖5 掘錨機(jī)施工作業(yè)流程圖

5.3 巷道支護(hù)參數(shù)與支護(hù)工藝優(yōu)化

首先，技術(shù)人員對巷道整體的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行全面的優(yōu)化，本次在支護(hù)時，選擇使用了較長錨固的錨桿，并配合錨索進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。對于巷道頂板，錨桿支護(hù)選擇使用φ22 mm×2.4 m 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，為了提升錨固效果，選擇使用樹脂加長錨固的方式進(jìn)行強(qiáng)化，鉆孔設(shè)計為φ30 mm×2.5 m，錨固長度設(shè)計為1.2 m。同時，在本次支護(hù)的過程中，為了提升支護(hù)的整體性，增加了鋼筋托梁，主要使用鋼筋進(jìn)行焊接，本次鋼筋選擇使用的是直徑為16 mm 的鋼筋[6]。

在具體支護(hù)時，為了提升錨桿支護(hù)效果，對于距離巷幫較近位置的錨桿，在打設(shè)時，控制角度與巷道呈10°，其他的位置均設(shè)計采用垂直布置的方式。網(wǎng)片在設(shè)置時，不同的網(wǎng)片之間設(shè)置為相互搭接的方式，搭接的長度超過0.1 m，搭接的位置選擇使用彎鉤鏈接。在設(shè)置錨桿時，間排距設(shè)置為900 mm×1 000 mm。在距離巷道兩幫較近的錨桿，設(shè)置距離兩幫的距離為0.25 m。對于錨索支護(hù)，本次設(shè)計采用單根鋼絞線錨索，長度為8.3 m，在具體錨固時，選擇使用樹脂錨固劑加長錨固的方式，鉆孔參數(shù)為φ30 mm×8.1 m，錨固長度設(shè)計為2 m。在錨索支護(hù)時，也配合使用了調(diào)心金屬托盤。錨索在打設(shè)時，方向與頂板垂直。錨索間排距設(shè)計為1.6 m×1.8 m。為了提升錨索支護(hù)的整體性，本次施工時，通過托盤上的眼和頂板錨索進(jìn)行聯(lián)鎖[7]。

在進(jìn)行巷道兩幫支護(hù)時，設(shè)計錨桿支護(hù)參數(shù)為φ22 mm×2.4 m，為了提升支護(hù)實效，選擇使用高強(qiáng)度錨桿，配合使用錨固劑，鉆孔參數(shù)設(shè)計為φ30 mm×2.5 m，錨固長度設(shè)計為1.2 m。在進(jìn)行兩幫錨桿支護(hù)時，選擇使用W 型錨桿鋼護(hù)板與托盤，全面提升錨桿支護(hù)的整體性。錨桿在打設(shè)時，角度和巷道水平方向成10°，方向為朝上打設(shè)，其他位置的錨桿設(shè)計為與巷道垂直布置。網(wǎng)盤選擇為菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片之間進(jìn)行相互搭接，搭接長度超過0.1 m。幫補(bǔ)錨桿設(shè)計間排距均為1 m，距離頂板最近的錨桿，距離頂板的距離設(shè)計為0.2 m，最下部錨桿距離底板的距離設(shè)計為0.8 m。幫部錨索設(shè)計采用鋼絞線，參數(shù)為φ22 mm×6.3 m，選擇使用樹脂加長錨固，配合使用錨固劑提升支護(hù)實效。在進(jìn)行錨索設(shè)置時，錨索和巷道兩幫垂直布置。此外，為了提升錨桿、錨索的支護(hù)效果，對兩者在支護(hù)過程中的預(yù)緊力矩、預(yù)緊力及錨固力進(jìn)行了全面強(qiáng)化，對于頂板的錨桿在打設(shè)時，預(yù)緊力矩應(yīng)當(dāng)不小于400 N·m，對于頂錨桿的錨固力應(yīng)當(dāng)不小于200 N·m。對于兩幫錨桿預(yù)緊力矩也應(yīng)當(dāng)不小于400 N·m[8]。

此外，對巷道支護(hù)工藝進(jìn)行了全面優(yōu)化。優(yōu)化流程，見圖6。

圖6 巷道支護(hù)工藝流程優(yōu)化示意圖

6 工程效果

在本次選擇使用掘錨一體化支護(hù)技術(shù)后，對巷道掘進(jìn)進(jìn)行了四個月左右的掘進(jìn)進(jìn)尺分析，統(tǒng)計結(jié)果，見表2[9]。

表2 掘錨一體化支護(hù)技術(shù)掘進(jìn)進(jìn)尺統(tǒng)計

通過表2 可看出，相對于先前的支護(hù)技術(shù)，選擇使用了掘錨一體化支護(hù)技術(shù)后，巷道整體的掘進(jìn)效率相對于先前有了明顯進(jìn)步，這表明，選擇使用掘錨機(jī)可以有效的提升巷道掘進(jìn)效率。

7 結(jié)論

綜上分析，本次選擇使用掘錨一體化設(shè)備，整體取得了較為顯著的效果，不僅取得了較好的掘進(jìn)和支護(hù)效果，同時，現(xiàn)場整體施工效果得到了明顯的優(yōu)化。從本次施工的整體來看，不僅取得了較好的除塵效果，人員整體的安全性在高阻力支護(hù)的情況下，也取得了較好的保證，人工勞動強(qiáng)度也明顯下降。對于巷道傳統(tǒng)的掘進(jìn)和支護(hù)工藝存在的局限較好突破，不僅取得了煤巷快速掘進(jìn)的效果，整體的掘進(jìn)效率也相對較高。