煤矿巷道掘锚一体化快速掘进技术研究

2021-02-25李平

能源与环保 2021年2期

李平

(晋能控股煤业集团寺河矿，山西晋城 048000)

随着我国煤矿掘进机械化水平的提升，在传统的锚网索支护条件下，锚杆巷道掘进受到诸多的影响，锚杆支护占据了总掘进的大部分时间，制约着巷道掘进效率。现阶段综掘施工的方式有锚杆钻机+连续采煤机、单体锚杆钻机+掘进机、掘锚一体化机组。其中，锚杆钻机+连续采煤机支护技术易受到地质条件的制约，当掘进过程中顶板破碎时，需要短掘快支护的方式，制约着巷道掘进速度；单体锚杆钻机+掘进机支护技术的辅助作业时间较长、巷道单进水平低、工人劳动强度大、掘进和支护作业分离，致使巷道掘进速度慢；掘锚一体化机组支护技术不需要撤离掘进机，就能完成支护作业，控制了围岩变形，适用于顶板较为破碎的地质条件，减少了辅助作业时间，改善了煤巷的顶板环境[1-4]。因此，采用掘锚机进行巷道支护，推动了掘锚一体化围岩控制的技术发展，实现了割煤和锚杆支护的平行作业，提高了巷道的掘进速度。

鉴于此，本文以晋能控股煤业集团寺河矿为例，研究了煤矿巷道掘锚一体化快速掘进技术，实现了煤巷的快速掘进，提高了掘进效率。

1 工程概况

研究巷道3号煤层：黑色，煤芯呈短柱状及块状，煤质较硬，玻璃光泽，条带状结构，阶梯状断口，顶部煤芯呈碎块状及粉状，近底部夹1层泥岩，煤层结构为5.15 m(0.20 m)0.35 m。煤层顶底板情况见表1。西区北回风二巷巷道布置如图1所示。

表1 煤层顶底板情况Tab.1 Coal roof and floor conditions

图1 西区北回风二巷巷道布置Fig.1 Layout of the roadway in the second lane of the north return air in the west zone

2 掘锚机施工辅助设备加工

为了较好适应某煤矿复杂地质条件，对掘进的液压顶篷和割煤工序进行改造，并设计煤壁落煤阻挡装置，该辅助设备的加工确保了掘锚一体化的正常施工。

(1)液压顶篷加工。液压顶篷支护主要由耳子、临时顶板支护、销子和千斤顶组成，其加工如图2所示。

图2 液压顶篷加工示意Fig.2 Hydraulic roof processing schematic

(2)煤壁落煤阻挡装置。为了防止掘锚机施工中被崩落的煤影响操作人员，设计了煤壁落阻挡装置，其结构如图3所示。

图3 煤壁落煤阻挡装置Fig.3 Coal wall falling blocking device

(3)掘锚机进刀路线。掘锚机割煤支护工序如图4所示。

图4 掘锚机割煤支护工序Fig.4 Tunneling machine cutting coal support process

3 掘锚一体化快速掘进技术

3.1 掘锚机技术特征

(1)应适应的条件范围：最大可掘高度4.835 m，可掘宽度5.96 m，需具备沿顶掘进施工能力(机组质量不超过80 t)。

(2)通过2台前部机载钻臂、2台后钻(或液压支腿钻机)和预留2台机载手持液压钻模式，实现顶帮锚杆同时支护、上下帮锚杆同时支护。钻臂满足360°旋转施工的能力，实现工作面锚杆、锚索孔及掘进面探测孔的机械化施工。手持钻设计合理的操作平台，机载存放空间。

(3)钻臂满足360°旋转，能够实现井下工作面锚杆、锚索孔及掘进面探测孔的机械化施工。手持钻设计合理的操作平台，机载存放空间。机身两侧有可前后伸缩的滑移机构，滑移装置滑移距离必须大于等于4 000 mm，保证不影响机组的正常掘割。

(4)临时支护机构。采用支撑力大于20 kN、矩形可侧伸的临时支护形式，保证接顶支护面积符合矿用要求，支护顶板展开宽度2 800 mm。临时支护装置与站人操作平台一体设计，方便作业人员施工。

(5)掘锚机主要技术参数。整机外形尺寸：长度≤10.53 m、宽度≤3 000 mm(铲板宽度≤3 200 mm)、高度≤2.65 m；钻臂数量为4台(2台前部钻机+2台后钻或液压支腿钻机和预留2台机载手持液压钻模式)；适应断面≥19 m2；装机功率为352 kW；截割功率为220 kW；接地比压为0.16 MPa；装运能力≥300 m3/h；爬坡能力为±16°；工作范围为最大可掘高度≥4.835 m，可掘宽度≥5.96 m；整机质量≤80 t。

(6)锚钻系统。①前钻臂参数。额定转矩≥245 N·m(通过扭矩倍增器或其他手段保证最终扭矩达到400 N·m)，额定转速≥500 r/min，最大扭矩≥300 N·m，推进行程≥1 400 mm，推进力≥20 kN，滑道伸缩长度≥4 500 mm，钻臂伸缩行程≥800 mm，钻臂推进补偿行程≥500 mm，推进器俯仰角度为180°，推进器摆动角度为180°，钻臂水平回转角度≥30°，钻臂上下升降角度≥30°。②后钻臂参数。水平回转角度为120°，上下升降角度≥52°，推进器水平回转角度为120°，额定转矩为132 N·m，额定转速为350 r/min，最大转矩为60 N·m，推进行程为1 000 mm，推进力为10 kN，推进速度为5 m/min。③液压手持钻技术参数。额定转速为380 r/min，额定转矩为105 N·m，最大转矩为115 N·m，质量为9 kg，外形尺寸(长×宽×高)为270 mm×520 mm×160 mm，钻孔直径≤95 mm，操作手柄间距为500 mm。

(7)临时支护系统。临时支撑力≥20 kN，最大支撑高度≥5 200 mm，支撑面积≥4.5 m2。

3.2 掘锚机施工工艺流程

掘锚机施工工艺流程：交接班→安全检查(探头位置、工程质量、瓦斯、两帮、顶底板等)→切割(出煤)→安全检查(探头位置、工程质量、瓦斯、两帮、顶底板等)→顶板、帮部永久支护→修整底板→进入下循环[5-8]。

掘锚机施工作业流程如图5所示。

3.3 巷道支护参数与支护工艺优化

3.3.1 巷道支护参数优化

巷道采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统[5-8]，并进行锚索补强。

图5 掘锚机施工作业流程Fig.5 Construction process of tunneling anchor

(1)巷道顶部支护。①顶锚杆支护方式及参数。锚杆形式和规格：采用杆体为φ22 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M24，型号为MSGLW500-22×2400。锚固方式：树脂加长锚固，采用2支锚固剂，先放1支MSK2335，后放另1支MSZ2360，钻孔直径30 mm，孔深控制在2 295～2 335 mm，锚固长度1 200 mm。钢筋托梁规格：西区北回风二巷采用φ16 mm的钢筋焊接而成，宽100 mm，钢筋托梁长4 800 mm，型号T4800×60/16100×100；托盘：采用拱形高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm(长×宽×高)，配合M24×3螺母、托盘调心球垫和尼龙垫圈。锚杆角度：靠近巷帮的顶板锚杆，安设角度与巷道竖直线成10°(向外)，其他与顶板垂直。网片规格及搭接：采用GM6.5/100-1.3×2.9型钢筋网护顶。不同网片(金属网、钢筋网、塑料网)或相同网片之间相互搭接不小于100 mm，钢筋网与钢筋网搭接处需弯钩，搭接处用双股18号铁丝按不大于100 mm的间隔联网，一道压一道，联网时每匝扭结不少于3圈，每米不少于10道。联网丝规格为双股18号铁丝。锚杆布置：西区北回风二巷顶锚杆排距为1 000 mm，顶锚杆每排6根，间距900 mm，靠近两帮的顶锚杆距帮250 mm。②顶锚索支护方式及参数。锚索形式和规格：采用φ22 mm的单根钢绞线，型号为：SKP22-1/1720-7300(简称：7.3 m锚索)。锚固方式：树脂加长锚固，采用3支锚固剂(锚索专用)，先放1支MSK2335，后放另2支MSZ2360，钻孔直径为30 mm，孔深控制在6 925～7 025 mm，锚固长度为1 970 mm。托盘：采用拱形高强度调心金属托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm×26 mm(长×宽×厚×孔直径)，配合托板调心球垫。锚索角度：与顶板垂直。锚索布置：西区北回风二巷顶锚索间距为1 800 mm，距帮1 600 mm，锚索每排2根，排距2 000 mm。锚索捆绑利用托盘上的眼与顶板锚网联锁，两翼的铁丝成180°。锚索锁具尾部用10号铁丝十字交叉捆绑3圈，捆绑在顶网上。

(2)巷道帮部支护。①巷帮锚杆支护方式及参数。锚杆形式和规格：两帮采用杆体为φ22 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，长度2 000 mm，杆尾螺纹为M24，型号为MSGLW500-22×2 000(简称：高强帮锚杆)。锚固方式：高强帮锚杆采用2支锚固剂，先放1支MSK2335，后放另1支MSZ2360，钻孔直径为30 mm，孔深控制在1 895～1 935 mm，锚固长度为1 200 mm。托盘：两帮采用W型锚杆钢护板(规格为4 mm×280 mm×400 mm Q235B)，配合拱形高强度托盘(规格为150 mm×150 mm×10 mm)、M24×3螺母、托板调心球垫和尼龙垫圈。锚杆角度：靠近顶板的巷帮锚杆，安设角度与巷道水平线成10 °向上，其他与巷帮垂直。网片规格：巷帮采用50 mm×50 mm，3 700 mm×1 200 mm菱形金属网护帮。不同网片(金属网、钢筋网、塑料网)或相同网片之间相互搭接不小于100 mm，搭接处用双股18号铁丝按不大于100 mm的间隔联网，一道压一道，联网时每匝扭结不少于3圈，每米不少于10道。联网丝规格为双股18号铁丝。锚杆布置：帮锚杆排距为1 000 mm，每帮1排4根，间距1 000 mm，靠近顶上的一根帮锚杆距顶板200 mm，最下一根锚杆距底板不超800 mm。②帮锚索支护方式及参数。锚索形式和规格：采用φ22 mm的单根钢绞线，型号为：SKP22-1/1720-5300，长度5 300 mm。锚固方式：树脂加长锚固，采用3支锚固剂(锚索专用)，先放1支规格为MSK2335，后放另2支规格为MSZ2360，钻孔直径为30 mm，孔深控制在4 925～5 025 mm，锚固长度为1 970 mm。托盘：采用拱形高强度调心金属托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm×26 mm(长×宽×厚×孔直径)，配合托盘调心球垫。锚索角与巷帮垂直。锚索布置方式及间排距严格按照巷道超高时采取的安全技术措施执行。

(3)预紧力矩、预紧力、锚固力规定。顶锚杆预紧力矩应达到400 N·m；顶锚杆锚固力应达到190 kN。帮高强锚杆预紧力矩应达到400 N·m，玻璃钢锚杆预紧力矩应达到40 N·m。帮高强锚杆锚固力应达到190 kN，玻璃钢锚杆锚固力应达到60 kN。

西区北回风二巷巷道支护断面如图6所示。