复杂薄煤层工作面机械化快速沿空留巷成套装备研究与应用

李冠冠

（冀中能源股份有限公司 章村矿，河北 邢台 054000）

1 概 况

我国的煤矿开采绝大多数采用井工开采，需要掘进大量的巷道，在采区工作面之间留设一定宽度的煤柱进行护巷,造成大量煤炭资源的浪费,甚至可以占到全矿煤炭损失的40%左右。如果煤柱留设不合理，还会使覆岩应力在煤柱处形成集中,对其附近巷道造成破坏。因此,推广沿空留巷开采，研究机械化、自动化快速沿空留巷技术，对安全生产、提高煤炭回采率和增加经济效益具有十分重要的意义。

2 预裂爆破切顶卸压留巷法

中国矿业大学何满潮院士对预裂切顶留巷技术围岩变形机理进行了深入研究，提出了110 工法开采技术以及N00 工法开采技术。110 工法，即“1个工作面，1 条巷道，0 个煤柱”，其核心是切顶卸压沿空留巷技术，首先利用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，以保证随后预裂顶板切顶时不影响自动形成的巷道质量；其次利用切缝钻机施工爆破钻孔，聚能爆破装置超前预裂顶板，在顶板形成裂缝；再利用矿山压力在采场周期来压时沿顶板裂缝自动实现沿空切顶，切落的顶板形成巷帮，同时借助岩石碎胀系数，使岩石破碎后的体积压实并隔断采空区，从而自动形成下一回采巷道。110 工法布置方式如图1 所示。

3 章村矿沿空留巷技术应用情况

3.1 第一阶段

章村矿自2007 年转入-200 水平西翼开采以来，地质条件更为复杂，煤层薄，规划采区面积小，区段少，无法实施跳采。在此情况下，引进并制定了适合该矿的沿空留巷技术。2008 年在4224采区采用巷旁无充填自然矸石垛支撑法进行沿空留巷，并取得了一定成效。但该项技术在应用过程中，留巷段受采动影响，存在以下问题。

（1） 巷道顶板下沉，底鼓、帮鼓变形量大，巷道维护困难。

（2） 留巷支撑压力区内受矸石垮落影响，单体损坏率高，约占30%左右。

（3） 动压影响范围大（120 m 左右），留巷后路卧底扩帮整修时，需要铺设多部刮板输送机接力出渣，岗位工多，机电事故率高，设备检修维护量大。

（4） 留巷段内支设单体密集，作业空间狭小，人工劳动强度大，安全系数低。

3.2 第二阶段

为改善沿空留巷作业条件，降低留巷成本，提高留巷效率，2018 年在4231 采区推广应用切顶爆破卸压110 工法开采技术。在超前工作面50～70 m 范围进行预裂爆破切顶泄压，将巷道空区侧顶板沿走向拉开一条缝，降低留巷受采动影响压力，减小了巷道变形量。工作面采过后，顶板沿切缝垮落形成巷帮，留巷期间采用可伸缩U 型钢支架配合双层金属网片进行挡矸及支护，实现了邻面接替连续开采。

但章村矿属薄煤层开采，工作面推进快，沿空留巷进度慢、安全性能差，岗位工多、机电事故率高、设备检修维护量大的问题依然存在，严重影响着矿井的安全高效开采。因此，需要引入机械化快速沿空留巷成套装备工艺。

图1 110 工法布置方式Fig.1 110 layout

4 机械化快速沿空留巷成套装备

机械化快速沿空留巷技术就是在超前工作面50～70 m 范围采用DCA-45 型切缝钻机打预裂爆破孔，在沿空留巷成巷整修段采用MWD5.1/0.13型液压挖掘机进行扩帮卧底，采用DSJ65 自移式后置驱动变频永磁滚筒带式输送机出渣，实现机械化快速沿空留巷，如图2 所示。

图2 沿空留巷整修运输系统Fig.2 Transportation system in gob-side entry

4.1 DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机

切缝孔的施工是切顶卸压沿空留巷的关键技术，要求成孔质量好，钻孔角度符合规定，所有钻孔成一条直线。基于高质量成孔的要求，选用DCA-45 型自动成巷超前切缝钻机，如图3 所示，主要技术参数如下：

外形尺寸（长×宽×高） /m 2 400×700×1 800

钻臂数量 2 个

适应巷道高度/m 1.9～2.4

整机功率/kW 45

工作压力/MPa 18

额定转矩/N·M 300

额定转数/（r·min-1）460

爬坡能力/(°) ±18

钻臂沿集体侧向行程/mm 350

钻臂沿集体轴向行程/mm 100

钻臂沿集体侧向摆角/(°) ±30

钻臂沿集体轴向摆角/(°) ±10

图3 DCA- 45 型自动成巷超前切缝钻机Fig.3 DCA-45 automatic roadforming advanced cutting drilling machine

该设备结构紧凑、体积小、动作灵活，具有良好的通过性，适用于顺槽皮带里部狭窄巷道作业；操作简单，定位方便，2 个钻臂配备2 台大扭矩马达同时作业，打孔效率高；2 个钻臂可独立旋转，能够满足钻孔轴线与铅垂线夹角的要求，成孔质量好，易于装入定向爆破聚能管，当液压钻车处于斜坡上时，通过摆动机构对钻臂进行调整，满足钻孔平行度的要求，当巷道条件较差时，可避免出现交叉孔、钻孔轴线与铅垂线夹角不符合要求等原因造成顶板垮落不充分的情况。

4.2 MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机

MWD5.1/0.13L 型液压挖掘机是章村矿与厂家联合研发的六自由度液压挖掘机，如图4、图5 所示。该装备充分采用了六自由度平台底层架构，由6 根油缸、12 只万向铰链和上、下2 个平台组成，下平台固定在基础上，借助6 根油缸的伸缩运动，完成上平台在空间6 个自由度的运动，主要技术参数如下：

外形尺寸（长×宽×高）/mm 5 600×1 150×1 650

标准斗容量/m 0.13

额定功率/kW 30

最大挖掘力（铲斗） /kN 16.3

回转平台最大转角/(°) 180

爬坡能力/(°) ±13

最大挖掘高度/mm 4 000

最大卸料高度/mm 2 600

最大挖掘深度/mm 1 000

最大挖掘半径/mm 4 000

最大地面水平挖掘距离/mm 4 300

该设备结构紧凑、尺寸小，适合留巷狭小空间内的卧底、扩邦、扩顶等巷道修复工作；回转平台可180°旋转，机械臂、铲斗均可360°旋转，可伸到皮带下方进行勾装作业，实现巷道修复机械化无死角作业；可快速更换破碎锤对岩石进行破碎。与传统的人工作业相比，减轻了职工劳动强度，提高了工作效率。

图4 MWD5.1/0.13L型液压挖掘机Fig.4 MWD5.1/0.13L hydraulic excavator

图5 六自由度平台底层架构Fig.5 The underlying architecture of the 6-DOF platform

4.3 DSJ65/10/2×40 型自移式后置驱动变频永磁滚筒带式输送机

该装备主要技术参数如下（永磁同步电动滚筒型号STBY40-2.0-630×800）：

装机功率/kW 2×40

输送能力/(t·h-1) 100

带速/(m·s-1) 2

该带式输送机使用永磁滚筒驱动，结构简单、易维护，节电效果明显（节电约30%），运行稳定，事故率低。该带式输送机采用后置驱动方式，将驱动部分固定在留巷最里端，不随巷道推进外移，卸载部分直接与转载机万向连接，随工作面推进整体自移前进，伸缩部分在中部，采用多节储带仓进行延长。这套系统充分考虑了留巷空间小、巷道变形快、卧底量大等不利因素，用一部皮带代替原有多部刮板输送机接力出渣方式，简化了运输环节，皮带维护费用也比刮板输送机维护费用低，延长皮带时直接添加托辊和纵梁，避免了人工抬运溜槽，在留巷空间小的不利因素下，有效降低了工人劳动强度，提高了工作效率，实现了安全生产。永磁滚筒带式输送机与转载机搭接如图6 所示。

图6 永磁滚筒带式输送机与转载机搭接Fig.6 Lap connection between permanent magnet roller belt conveyor and transfer machine

5 应用效果

（1） 机械化快速沿空留巷技术的应用章村矿提高了沿空留巷效率，实现了薄煤层沿空留巷的机械化修复，减少了留巷内作业人数和运输设备数量，降低了工人劳动强度，减少了煤矿事故的发生，实现了安全高效留巷。

（2） 采用机械化沿空留巷后，留巷内工效由原来的0.1 m/ 工提高到0.2 m/ 工，工效提高了100%。

（3） 原来沿空留巷每米成本4 983 元，采用机械化沿空留巷系统后，每米成本为2 451 元，留巷每米成本降低2 468 元。2下3103 工作面留巷长度约890 m，节约成本220 万元，效益显著。与新掘巷道（半煤岩巷） 每米成本为6 545 元相比，留巷每米成本降低4 075 元，节约成本363 万元，效益显著。

6 结 语

章村矿薄煤层工作面机械化沿空留巷系统改变了以前粗放式的生产方式，将用机器代替人工作业，降低了劳动强度，改进了工艺流程，推进了煤炭的合理开发和综合利用，保障了煤矿安全高效生产。