高效快速掘进系统现状及支护设备发展

丁永成

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

我国煤炭资源丰富，经过勘探现已探明的浅层煤炭资源总量大概为103340亿t，其中陆地区域探明的煤炭资源量为71570亿t，周边海域探明的煤炭资源量约为31765亿t。近几年随着煤矿开采深度已从先前的500m逐渐向着1300m不断增加。开采深度的增加势必造成开采巷道的支护量越来越大，采掘关系矛盾进一步加剧，成为制约我国煤矿实现高产高效的主要瓶颈。

目前国内主要的矿山生产基地都大量采购机械化采掘设备和支护设备，其中负责进行巷道掘进的设备有综合掘进机、连续采煤机和掘锚机3种[1]，但仅依靠采掘设备无法最大限度的提高巷道的开采速度和掘进效率，巷道成巷中最重要的一点是必须完成巷道的锚杆支护。因此巷道支护技术作为煤炭安全高效开采的重要保障，在巷道的成巷方面也发挥着重要作用，其中尤以锚杆支护为主。

锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度[2]。因此在高产高效矿井建设中，首先需要实现采掘设备的机械化，但缺少锚杆支护设备的机械化也无法实现高产高效矿井的建设。锚杆支护设备的机械化主要是实现锚杆支护过程中钻孔、搅拌和紧锚杆工序的机械化操作，锚杆支护设备的机械化程度影响巷道的锚杆施工质量和施工速度。近年来，针对不同的掘进方式陆续开发出规格和种类不同的锚杆支护设备，以实现在不同掘进方式下的快速掘进。

1 配套掘进机的锚杆支护设备

悬臂式掘进机在我国大中型矿井中普遍使用，其在巷道掘进方案发挥着重要作用，但是其配套的支护设备还相对落后，普遍配套的钻机为单体液压钻机，其机械化程度很低，严重制约巷道的掘进速度且不安全。[3]在锚杆支护过程中主要依靠操作人员搬、抬、拖、拽等方式将钻架布置在无支护的空顶区域下工作，且整个支护过程中的机械化和自动化程度不高，严重制约巷道的掘进速度。针对掘进工作面的特点和掘进设备的工作方式，山西天地煤机装备有限公司开发出具备自行走能力和机载自动锚杆钻机的窄型两臂锚杆钻车，与悬臂式掘进机采用交叉作业的方式，掘进机负责进行巷道掘进，两臂锚杆钻车待掘进机完成掘进任务后从掘进机的一侧行驶至空顶区域下进行锚杆支护，两者交替运行实现“前掘后锚”分段作业的工作方式，将掘进机的掘进与实施锚杆支护这两个有相互依赖关系的主要作业程序做到合理安排，提高巷道掘进速度和锚杆支护速度，提升矿井的生产效率，实现安全生产和快速掘进的目的。整套系统是针对巷道条件差，顶板空顶距小的巷道开发的系统，针对不同的巷道高度分别开发出薄煤层两臂锚杆钻车、中厚煤层两臂锚杆钻车和厚煤层两臂锚杆钻车，而且该套系统能够在绝大多说的巷道情况中使用，具有较强的适应能力，满足拱形巷道、矩形巷道和梯形巷道，具有很强的适应能力。悬臂式掘进机的快速掘进配套方式，如图1所示。

两臂锚杆钻车主要是针对单巷掘进工作面开发的一种新型的锚杆支护设备，其具备机身窄、动作灵活的小型化锚杆支护设备，主要负责进行综掘工作面顶板锚杆和锚索支护，以及侧帮的锚杆支护，实现整个锚钻过程的机械化，提高设备的自动化操作和锚索支护的作业效率，改善工人的劳动环境，实现操作人员对设备的远程控制，同时该设备能够作为锚护模块与任意设备进行匹配，具有很强的适应能力。CMM2-25煤矿用液压锚杆钻车，如图2所示。

图1 悬臂式掘进机的快速掘进配套方式

图2 CMM2-25煤矿用液压锚杆钻车

2 配套连采机的锚杆支护设备

随着综采技术的发展，国内已形成了年产千万吨级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加。[4]为了提高巷道的成巷速度，我国于1979年首次引入进口连续采煤机，主要在大同矿务局大斗沟矿、姜家湾矿进行条带式开采，但由于当时的采煤方法落后，整体效果使用不理想。1995年随着神东矿区引进旺格维利采煤法，并在矿区内使用创下了多项纪录，同时也总结出连续采煤机的适用条件。

短壁机械化的高效快速掘进系统主要由连续采煤机、锚杆钻车、梭车、破碎机和铲车五种设备组成，掘进过程中采用双巷掘进，连采机和锚杆钻车交叉平行作业。[5]整套系统中连续采煤机在工作面前端负责进行巷道的掘进、截割、转载和装煤；梭车在连采机后面负责进行物料的转载运输，将连采机生产的物料转载运输至破碎机上，当完成一个工作循环后，两者一并转入旁边的巷道继续进行掘进，而负责进行锚杆支护的钻车此时进入未支护的巷道进行锚杆支护，三种设备有序交替的进行采、运、支工作。

在以连续采煤机为龙头的短壁机械化高效快速掘进系统中，连采机和四臂锚杆钻机在两条相邻的巷道同时进行掘进和锚杆支护，两者互不干涉同时作业。由于巷道断面的尺寸较大，锚杆钻车的钻机采用“一”字的排布方式，将四台钻机全部布置在整机的最前端，四台钻机能够同时工作，一次性完成四根锚杆支护，同时外侧的两个钻机还可以进行滑动，用最短的时间完成巷道内的锚杆支护。连续采煤机的快速掘进配套方式，如图3所示。但此种配套方式对巷道的地质条件要求较高，一般煤层稳定、顶板完整、无地质构造时，巷道均沿煤层底板掘进，留设400～600mm的顶煤。由于对地质条件要求较高，现只能在一些地质较好的地区进行推广使用。由于该套快速掘进系统对地质条件要求较高，一般要求巷道的空顶距达到15m以上才能最大的发挥连采机的快速掘进优势，因此该套系统受地质条件的拘束性较大，只能应用在巷道条件非常好的区域且只能应用于矩形巷道中，山西天地煤机针对不同的采高条件先后开发出薄煤层四臂锚杆钻车、中厚煤层四臂锚杆钻车和厚煤层四臂锚杆钻车。CMM4-20煤矿用锚杆钻车，如图4所示。

图3 连续采煤机的快速掘进配套方式

图4 CMM4-20煤矿用锚杆钻车

3 配套掘锚机的锚杆支护设备

掘锚机组是高产高效矿井煤巷单巷快速掘进的掘锚一体化设备，是在连续采煤机和悬臂式掘进机的基础上发展的一种新型掘进机型，掘锚机组将截割滚筒和锚杆支护钻机有机的结合起来，减少由于掘进设备和支护设备间的设备调动造成的换位作业时间浪费，在一种设备上既可进行巷道掘进同时又能够完成锚杆支护[5]。掘锚机组的快速掘进配套方式，如图5所示。伴随着国家对于煤矿企业的兼并重组，产业集中度要求进一步提高，煤炭企业需进一步提高巷道的掘进速度。但是掘锚机组的支护能力有限，如果巷道中所有的锚杆支护都由掘锚机组完成势必影响掘进工作面的掘进速度，因此在整套快速掘进系统中需要配套一种新型的锚杆支护设备，主要负责进行锚杆支护、物料的转载破碎及转载运输胶带的牵引。该系统是针对普通地质条件开发的新型的快速掘进系统，其适应的巷道一般为空顶距为5～6m的普通巷道，但是其巷道的开采面较大，掘锚机截割头的长度一般为6m，因此其在巷道开采过程中消耗时间较短，巷道成形速度快，能够大大提高巷道的掘进速度。但掘锚机的采高要求一般为4～4.5m，此时掘锚机才能发挥其快速掘进的优势，实现巷道快速掘进，提高巷道的成巷速度缩短巷道的成巷时间。该系统一般应用于中厚煤层和厚煤层的巷道中，具有一定的局限性，但其掘进速度和巷道空顶距能够很好的匹配，发挥整套系统的优势。

图5 掘锚机组的快速掘进配套方式

配套掘锚机组的锚杆转载机组主要由主机架、左右履带架、受料部、卸料部、破碎装置和锚杆钻机组成。整机中间布置受料部、主机架和卸料部，主要负责物料的转载和运输，两侧分别布置左、右履带架，同时在整机的最前端布置两台能够左右旋转的钻架，负责进行顶板锚杆和侧帮锚杆支护。MZHB2-1200/20锚杆转载机组，如图6所示。

图6 MZHB2-1200/20锚杆转载机组

4 结 语

近年来，随着安全、合理、高效的巷道锚杆支护技术飞速发展，其已成为保证巷道实现高产高效的必要条件。但在锚杆支护过程种如无先进的机械化设备，无法最大限度的发挥锚杆支护技术的支护效果好、成本低的特点。因此煤矿企业针对其不同的地质条件和掘进方式，陆续开发出针对不同地质条件的高效快速掘进支护装备。其中掘进机配套的两臂锚杆钻车快速掘进装备月进尺能达到400～500m；连续采煤机配套的短壁机械化快速掘进装备月进尺达到1000～1200m；掘锚机配套的快速掘进装备月进尺达到1500～1600m，但是三种高效快速掘进装备无法互相取代，其很重要的一个原因是由于三种高效快速掘进装备是依据不同的地质条件开发出来的。同时针对不同地质条件开发的快速掘进系统，正在努力实现锚杆和锚索支护的全自动支护，减少掘进工作面的人员数量，降低操作人员的劳动强度，实现掘进工作面的“无人化”提供技术支持和技术储备。

因此在选用高效快速掘进系统时需针对自身具体的地质条件进行选择，不要盲目跟风，考虑自身的实际情况，依靠先进的高效快速掘进装备实现煤矿企业的快速发展。