CMM2-15型锚杆钻车掘锚交叉综掘工艺的应用

2018-03-23臧欢欢

同煤科技 2018年1期

臧欢欢

0 引言

塔山矿是一个年产1 000万吨的特大型矿井，盘区回采巷道的掘进跟不上综采采区的回采速度，造成采掘不正常接替[1]，导致矿井设计年产量难以达到。为加快巷道快速掘进的步伐，缓解采掘失调的现状[2]，达到较高的掘进速度和较好的支护效果，提出了掘进与锚杆锚索支护交叉作业技术。然而，绝大多数综掘机宽度都在2.9 m以上，而塔山矿掘进工作面断面宽度4.5～5.5 m、高度范围2.6～4 m，再加上行人宽度及安全间隙，要求锚杆钻车宽度应在1.3 m左右，大多数锚杆钻车的宽度都大于2.0 m，难以与综掘机配套进行掘锚交叉施工工艺。为此塔山矿组织相关单位研制了1.3米窄机身型CMM2-15型锚杆钻车，从而实现了“交叉掘锚”的综掘工艺。

1 掘锚交叉综合机械化巷道快速掘进工艺

为解决制约快速掘进技术的关键问题，塔山矿采用了能和EBZ-260型掘进机配合使用的锚杆钻车，主要用于煤巷支护作业，可实现顶帮同时支护[9]。具体工艺流程见图1：首先，掘进机截割一个循环进度，此时钻车在其后方10 m左右的靠帮停放，掘进机结束割煤装煤就后退靠帮放置。然后，钻车开进完成顶板和两帮钻孔和支护工序，完成两个锚杆排距即1.8 m的支护进度。最后，钻车收回各动作机构，退后方靠帮停放，掘进机再次启动前行开始截割[10]，如此往复工作。

图1 掘进工作面锚杆钻车支护工艺示意

试验锚杆钻车是基于塔山矿实际生产情况及特殊掘进工艺的需要，因此具有明显的实用性，其主要技术参数如表1所示：

表1 CMM2-15型全液压锚杆钻车主要技术参数

2 掘锚交叉快速掘进工艺现场试验

2.1 试验基本条件

CMM2-15窄型全液压锚杆钻车先后在塔山矿5214巷、2214巷以及2108巷得到了成功应用，本文重点研究了在2108掘进工作面的工业性试验情况。

2108回采巷属于1070水平一盘区，地面标高1 355.6 m～1 527.5 m，工作面标高 1 006 m～1 034 m，巷道走向长2 173.5 m，巷宽5.5 m，煤层结构复杂，块状及碎块状，平均厚度12.72 m，倾角3°～5°。老顶为灰白色中粒砂岩均厚4.32 m，直接顶为炭质泥岩、灰黑色炭质泥岩、砂质泥岩交替赋存，均厚13.96 m，直接底为灰黑色炭质泥岩、砂质泥岩，均厚3.05 m，老底以中粗砂岩为主，均厚14.36 m。瓦斯相对涌出量为1.66 m3/t，煤尘具有爆炸危险性。

巷道采用锚杆锚索配合锚网和钢带进行联合支护，锚杆分为顶锚杆和帮锚杆两类，打锚杆时使用1根1 m长钻杆，1根1.5 m长钻杆，Φ28钻头，间距900 mm、排距900 mm。两帮最上一根锚杆距顶板400 mm，与巷道前进方向垂直并略向上倾斜10°，最下一根锚杆向下倾斜10°。2108巷锚杆排间距为900 mm×900 mm，在此范围内必须有临时支护顶板，不得空顶作业。

2.2 掘锚交叉快速掘进工艺井下作业

2.2.1 掘进机作业并退后

掘进机落煤、装运并清理浮煤，掘进机退后。

图2 掘进机作业和退后

2.2.2 钻车临时支护

锚杆钻车前行到掘进工作面迎头处，利用左右工作平台向变位将W钢带和锚网放置在钻车超前临时支撑机构上，随后用操作手柄控制二级油缸将其托举顶住顶板。

图3 钻车临时支护

2.2.3 锚杆支护

通过工作台的灵活升降左右伸展，钻车两钻臂先对顶锚杆孔定位钻进及支护，后调整平台高度，钻臂灵活换位，完成两帮及底锚杆的钻孔及支护工序。

图4 顶帮钻孔

图5 支护完成

2.2.4 支护完成进行锚固质量检测

如图5，完成上述作业后，对钻臂、超前支撑机构、工作平台进行归位，钻车前行开始第二排的锚杆支护。两排支护完成后钻车机构归位，退后15 m靠帮停放，做锚固质量检测，掘进机等相关采掘机械开始下一循环的割煤掘进作业。

3 巷道矿压观测

通过巷道矿压监测，对锚杆受力和巷道围岩位移进行测试，从而较准确地了解在采用锚杆钻车进行锚杆支护后的工作状态。根据围岩变形特征，对锚杆钻车钻臂的扭矩进行及时调整，从而促使巷道趋于稳定的安全状态。

3.1 试验巷道围岩位移

采用“十字交叉法”观测同一断面上巷道两帮相对移近量及顶底板相对移近量。2108掘进巷道共布置4个测站。第一测站布置在距掘进面10 m处（已掘巷道），随着巷道不断的向前推进，每隔15 m布置一处测站，分别对其编号。

从建站开始，连续对各测点进行了90天的监测。各测站处巷道顶底板和两帮移近量测试结果如下：

图6 各测站巷道顶底板与两帮移近量

由图6可以看出，在90天的观测期内，采用锚杆钻车进行锚杆锚索永久支护后，巷道顶底板最大移近量出现在4#测站点，为161.3 mm；两帮最大移近量出现在1#测站点，为172.4 mm。巷道开挖支护后60天左右围岩变形趋于稳定，围岩总体收敛量不大，后期的日收敛速率两帮平均为0.09 mm/d，顶底板平均为0.08 mm/d，说明巷道收敛已趋于稳定，锚杆钻车支护的安全性与稳定性得到保证。

3.2 试验巷道锚杆受力监测

锚杆受力采用锚杆用YZS-200型锚杆测力计测量，其量程为200 kN，精度为±1%，内径、外径分别为28 mm、125 mm。将其安设在相应的测站附近，观测频率同表面位移观测。帮锚杆、顶板锚杆和顶板锚索分别安置锚杆液压枕来监测锚杆、锚索受力状况，共安设六套，锚杆轴向力大小与时间关系如图7所示。

图7 锚杆（索）受力随时间变化

从图7可以看出，锚杆受力最大206 kN，在掘进工作面后方30 m左右范围内增加最快，然后缓慢增加；锚索受力最大为305 kN，与锚杆类似，均在安全范围之内。锚杆受力只代表巷道表面锚杆支护的托锚力，随着时间的延长，锚杆托锚力逐渐增加，但速率较小，为0.4 kN/d。从锚杆受力来看，托锚力的大小与围岩变形并不十分一致，表明巷道变形稳定后有蠕变倾向。