快速掘錨成套裝備設(shè)計及應(yīng)用研究

司大為

（兗礦能源集團股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

兗礦能源集團鮑店煤礦位于山東省鄒城市境內(nèi)，核定年生產(chǎn)能力600 萬t。井田分為兩個水平，現(xiàn)生產(chǎn)-430 m 水平，主采3 層煤（3上、3下），礦井采用帶式輸送機主運輸，軌道輔助運輸。7302 綜放工作面長2132 m、寬287 m，為全省智能化綜放采煤工作面，7302 主運巷采用矩形斷面，斷面尺寸為6.5 m（寬）×4.55 m（高），煤層硬度f=4，煤層密度1.28～1.30 t/m3。為有效提高煤巷掘進效率，緩解該煤礦的采掘失衡問題，針對鮑店煤礦特殊的地質(zhì)條件，以7302 主運巷為研究對象，進行了快速掘錨成套裝備設(shè)計及實踐應(yīng)用研究[1-2]。

2 快速掘錨成套裝備及工藝方案設(shè)計

針對7302 主運巷特殊地質(zhì)條件，選用快速掘錨成套裝備，其總體結(jié)構(gòu)如圖1。該快速掘錨成套裝備由掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車組成，采用履帶式行走機構(gòu)，具備伸縮滾筒上下截割、油缸推進、步進掘進，以及全斷面、多工位錨桿（錨索）機械化支護等功能。同時，設(shè)備自帶安全監(jiān)測和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，并在掘錨一體機上引用數(shù)字導(dǎo)向和泡沫除塵技術(shù)，其整體技術(shù)性能達到國際先進水平。

圖1 快速掘錨成套裝備總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 掘錨同步設(shè)計

快速掘錨成套裝備采用掘錨一體機掘進+部分錨桿支護作業(yè)，煤礦用液壓錨桿鉆車完成剩余錨桿、錨索支護作業(yè)的施工工藝。掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車均具有自帶動力和獨立行走功能，可實現(xiàn)煤巷工作面的連續(xù)切割掘進、及時支護和物料的連續(xù)運輸，能夠真正實現(xiàn)掘錨同步。

其具體實現(xiàn)方法是：掘錨一體機前部截割裝置通過截割大臂的上下舉升和前后滑移實現(xiàn)煤巷工作面的全斷面掘進；截割裝置后端緊跟2 臺頂錨桿鉆機和2 臺幫錨桿鉆機，截割掘進的同時，同步進行支護作業(yè)，及時確保煤巷圍巖的穩(wěn)定性；煤礦用液壓錨桿鉆車配有3 臺頂錨桿（錨索）機和2 臺幫錨桿機，用于補打頂錨桿、頂錨索和幫錨桿，達到掘錨同步目的。掘進過程中，掘錨一體機上方設(shè)置的升降式護盾可臨時穩(wěn)定支撐掘進工作面的煤巷頂板，確保操作人員的安全。該設(shè)計理念主要目的是優(yōu)化單個循環(huán)的掘進時間和支護時間，在保證連續(xù)作業(yè)安全可靠的前提下，實現(xiàn)圈蓋和支護協(xié)調(diào)作業(yè)，其優(yōu)點在于：

（1）對煤巷圍巖的擾動小，單個循環(huán)掘進作業(yè)時設(shè)備原地不動，無須住返行走，不會對底板造成二次破壞。

（2）掘進與錨桿支護同步進行，互不干涉，減少了輔助作業(yè)時間，煤巷頂板和兩幫得到及時支護，從而保證煤巷安全、高效連續(xù)掘進。

（3）升降式護盾能夠減少空頂距，有效支撐未支護頂板，確保操作人員處在安全的工作環(huán)境下作業(yè)。

2.2 一次成巷設(shè)計

截割裝置采用可伸縮式大功率、低轉(zhuǎn)速截割滾筒結(jié)構(gòu)，可掘巷道寬度范圍為5.8～6.5 m，高度范圍為3.6～4.75 m，成型截面為矩形，巷道斷面一次成型。一次成巷的原理是：單個掘進循環(huán)周期內(nèi)，掘錨一體機和煤礦用液壓錨桿鉆車底盤處于制動狀態(tài)，截割電機提供動力，通過截割減速機變矩后帶動截割滾筒轉(zhuǎn)動切割煤層，截割大臂俯仰實現(xiàn)截割面上下截割，掏槽油缸前后推進實現(xiàn)掘進步進，單次最大進刀1 m，煤巷全斷面一次截割成型，擾動小，成型質(zhì)量高。截割滾筒寬度與巷道設(shè)計寬度相匹配，不同的巷道寬度可通過更換截割滾筒伸縮部實現(xiàn)，截腳大臂內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)編碼器可根據(jù)現(xiàn)場情況實時設(shè)定截割高度，實現(xiàn)煤巷高度方向上的智能截割。

2.3 數(shù)字導(dǎo)向設(shè)計

快速掘錨成套設(shè)備在煤巷掘進過程中不可避免地會出現(xiàn)俯仰、橫滾和航向3 個維度上的偏差，以致偏離預(yù)定軌跡。以慣導(dǎo)技術(shù)與傳感器測量結(jié)合的數(shù)字化陀螺儀慣導(dǎo)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)間斷式測量方式，在掘進過程中通過構(gòu)建掘錨一體機狀態(tài)的三維坐標模型，感知掘錨一體機自身狀態(tài)，來實現(xiàn)掘錨一體機的自動定位、糾偏、遠程遙控和自動監(jiān)測功能。

數(shù)字導(dǎo)向系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括慣性光纖陀螺儀、RMSD 自動導(dǎo)向系統(tǒng)軟件、無線通信控制盒和工業(yè)平板電腦等。其導(dǎo)向原理是：慣性光纖陀螺儀獲取車身三維偏移量和絕對三維坐標數(shù)據(jù)（借助全站儀的初始對準）后導(dǎo)入控制系統(tǒng)內(nèi)，作為里程推進輸人量來控制實際推進軌跡和理想巷道軸線的偏移量，保證巷道掘進進度在設(shè)計允許的范圍閾值內(nèi)。

數(shù)字化陀螺儀慣導(dǎo)技術(shù)可精確控制巷道中線偏移量，偏差精度≤5 cm。其特點及優(yōu)勢是：（1）核心慣性測量單元測量精度和穩(wěn)定性的提高，從本質(zhì)上提高了系統(tǒng)性能，在無人工修正的情況下可實現(xiàn)200 m 內(nèi)連續(xù)精度保持。（2）能夠自主給出自動導(dǎo)向所需的全部高精度信息，包括設(shè)備實時姿態(tài)和航向，以及巷道坐標系內(nèi)的三維平移數(shù)據(jù)。（3）通過耦合傳感器數(shù)據(jù)，自動修正和補償履帶打滑空轉(zhuǎn)引起的干擾誤差。（4）可視化人機交互，操作方式簡單，使用門檻低。（5）光學(xué)測量輔助校準，進一步提高巷道整體的導(dǎo)向精度。

2.4 泡沫除塵設(shè)計

煤巷掘進工作面粉塵主要來自兩個方面，一是截割滾筒上的截齒對煤巖壓碎和摩擦產(chǎn)生的粉塵，二是煤巖掉落過程中與機械零件和地面碰撞產(chǎn)生的粉塵。與傳統(tǒng)的除塵技術(shù)相比，泡沫除塵效果更佳。

為改善掘進工作面的工作環(huán)境，快速掘錨成套設(shè)備定制化研制了高倍數(shù)（80～120 倍）泡沫除塵系統(tǒng)。泡沫除塵的工作機理是：發(fā)泡劑在泡沫發(fā)生器內(nèi)受氣壓和水壓作用產(chǎn)生泡沫后，通過管路輸送到截割裝置的專用噴頭處，對掘進工作面連續(xù)噴灑泡沫降塵。

2.5 安全監(jiān)測設(shè)計

相比于露天煤礦，井工煤礦巷道環(huán)境更加惡劣，掘進過程中巷道圍巖的工程結(jié)構(gòu)受力、地層壓力、有毒有害氣體等參數(shù)都在不斷變化，任何參數(shù)值達到極限時，就會產(chǎn)生或大或小的災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計分析，大多數(shù)煤礦安全事故中，除誘發(fā)因素外，安全監(jiān)測設(shè)備與預(yù)警技術(shù)的落后和不完善也是引發(fā)安全事故的重要原因。

快速掘錨成套裝備配備了一套數(shù)字化、智能化、自動化的有害氣體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。粉塵濃度檢測儀、甲烷檢測儀、一氧化碳傳感器及紅外二氧化碳傳感器等多種傳感器可對主要的有害氣體進行實時連續(xù)監(jiān)測和采集，并傳輸給設(shè)備主控制系統(tǒng)，通過井下數(shù)字化信息平臺與調(diào)度室聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、分析、報警和主動制動，以及危險實時預(yù)報、排查和處理，并按照《煤礦安全規(guī)程》要求，實行“三專兩閉鎖”，保證作業(yè)人員的安全。經(jīng)驗證，氣體傳感器的穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，監(jiān)測誤差小，報警準確，預(yù)測與生產(chǎn)互不干擾，為在安全可靠的生產(chǎn)條件下提高生產(chǎn)效率提供了有力保障。其相關(guān)特性見表1。

表1 氣體傳感器特性

3 效果分析

快速掘錨成套裝備及工藝在鮑店煤礦7302 主運巷的應(yīng)用中取得了顯著效果。支護方式采用6 根頂錨桿、根幫錨桿和2 根錨索，該套快速掘錨裝備在主運巷累計完成進尺5813 m，最高日進尺92 m，最高月進尺2020 m。該套設(shè)備大幅提高了煤巷掘進效率，降低了工人勞動強度，實現(xiàn)了煤巷作業(yè)的安全、可靠和高效。

泡沫除塵系統(tǒng)啟動之前，回風(fēng)巷的全塵平均濃度為320.18 mg/m3，呼吸性粉塵平均濃度為112.64 mg/m3；系統(tǒng)啟動之后，全塵和呼吸性粉塵平均濃度分別降至74.48 mg/m3和18.88 mg/m3，除塵效率分別達到76.74%和83.24%，降塵效果理想。

4 結(jié)語

以鮑店煤礦7302 主運巷為對象，進行了快速掘錨成套裝備設(shè)計及應(yīng)用研究，實踐效果理想。全塵和呼吸性粉塵除塵效率分別達到76.74%、83.24%，最大日進尺達92 m，最高月進尺達2020 m，大幅度提高了煤巷掘進效率，為同類型煤礦的快速掘進提供實例參考。