综合机械化掘进设备安装及掘进工艺探析

李佳杰

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 寿阳 045400）

煤矿生产能力除了与其本身的综采工作面的开采水平直接相关外，还与掘进工作面的掘进效率和质量间接相关。影响工作面掘进效率和巷道成型质量的关键因素在于所采取的掘进工作以及掘进设备的步数情况。近年来，我国在掘进设备自动化水平和性能方面的能力显著提升，虽然在一定程度上提升了工作面掘进效率和巷道成形质量。但是，由于掘进工艺的缺陷常导致巷道的掘进效率和成形质量[1]。因此，本文将注重对综合机械化掘进工艺及其相关设备的安装进行具体研究，为提升工作面的掘进效率和成形质量提供指导。

1 工程概况

本文以阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司（以下开元矿）325运输巷道的掘进为例开展研究，325运输巷道承担着进风、行人、运输以及敷设管道的重任，该运输巷道的走向长度为1.2 km，巷道断面的横截面积为16.1 m2；经探测可知，该运输巷道最小倾角为34°，最大倾角为48°；在正产掘进情况下工作面的最小涌水量为10m3/h，最大涌水量为25m3/h，运输巷道的断面结构如图1所示。

由图1可知，325运输巷道的高度为3.6 m，宽度为4.8 m。目前，325运输巷道采用爆破的方式进行掘进，但是在巷道实际的推进中发现当前掘进方案下每天巷道掘进的长度为仅有3~5 m，每月可掘进的巷道长度为100~120 m，远远无法满足当前工作面快速掘进的要求，导致煤矿整体的采煤能力受到制约[2]。因此，本文着重对325巷道掘进工艺中的爆破参数及支护参数进行分析，并对典型掘进设备的安装进行说明。

图1 325运输巷道断面结构图（mm）

2 掘进设备的安装

一般的，工作面掘进时通用的掘进设备包括有通风机、胶带输送机、装载机以及掘进机等。本节将对关键掘进设备的安装进行研究。

2.1 掘进机的安装

掘进机为工作面掘进的核心设备，鉴于工作面相对狭小的空间常通过在地面对掘进机各部件的合格性进行校验后分别运送至工作面，并在工作面完成组装。一般将掘进机拆解为主机、滚筒、抱头电机、铲台以及伸缩油缸五部分。

掘进机在工作面完成组装任务后首先需要重点检查设备的电气控制系统和液压系统，确保设备的控制灵敏度和控制精度满足要求。为保证掘进机的安全，需在其对应的掘进路线进行加固，并对设备掘进过程中的拖拽电缆进行监测，以防电缆出线积压挂钩的现象。此外，还需在巷道跨越点的位置为设备敷设合适的轨道，避免掘进机脱轨事故的发生。

2.2 带式输送机的安装

带式输送机为将截割岩层运出巷道的设备，为保证带式输送机的输送效率一般将机头安装于截割岩层的卸载点并确保其安装于巷道的中心线位置。此外，带式输送机在安装时对应的顺序为：从卸载点依次为机头、机身、机尾，并安装要求分别对机头、机身以及机尾各部件进行安装[3]。

2.3 装载机的安装

待带式输送机安装完成后，对装载机各组成部分进行安装，并保证装载机的机头安装于带式输送机的结尾轨道上，将装载机的机尾与掘进机的机尾通过螺栓进行连接固定。

3 掘进工艺的研究

经对当前325运输巷道掘进实施过程中的主要问题为巷道的掘进效率低，无法满足当前工作面高产、高效生产的要求。本节将对掘进工艺中涉及到的爆破工艺和支护方案进行设计。

3.1 爆破工艺参数的优化

目前，就掘进过程中所设计周边眼和辅助眼的深度为1.3 m，爆破掏槽孔的深度为1.6 m，掏槽的深度为1.38 m。也就是说，实际掘进过程中所采用的爆破方式为浅眼爆破，而且在打眼过程中作业人员均是按照其经验进行施工。经对当前掘进工艺中的爆破方案进行分析可得出其主要问题总结如下：

1）对原爆破方案下对应爆破眼深度大于2.2 m时，钻孔效率极低，甚至在一个班都不能完成两个循环。

2）巷道实际掏槽的效率也极低，每个循环对应的爆破进尺仅有1.7 m左右。

3）当前爆破方案对应爆破眼的装药量导致爆破威力低。

4）巷道的对爆破掘进后矸石的排出速度慢[4]。

经研究可知，影响巷道一次爆破成巷的关键因素为掏槽眼的布置和起爆顺序。因此，必须根据巷道的实际情况对巷道掏槽眼进行合理布置，并合理设置各个掏槽眼的起爆顺序和掏槽眼的装药量。结合一次成巷爆破的相关经验，并充分考虑325运输巷道的实际情况，采用混合掏槽方式进行打眼，且所打眼的类型包括有主掏槽眼、辅助掏槽眼和中心眼，其对应的布置情况如图2所示。

由图2可知，主掏槽眼共有三对，辅助掏槽眼共有两对，中心眼共有两个。为最终确定掏槽眼的具体方案，对如表1所示的掏槽方案下对应的所得爆破孔的应力进行对比分析。

图2 325运输巷掏槽眼布置情况（mm）

表1 325运输巷道掏槽方案

经对上述两种方案下所得爆破孔的相关参数进行对比可知，方案二所得爆破孔的应力场均高于方案一，即说明方案二所得爆破孔的稳定性优于方案一。因此，最终确定325运输巷道的最佳掏槽参数为：掏槽角度为70°，爆破孔深度为2 m。

3.2 支护方式的确定

为保证掘进过程中巷道围岩的稳定性，需对巷道进行支护设计。针对325运输巷道的实际情况采取临时支护和永久支护的方式对其围岩进行强化控制[5]。

1）临时支护。鉴于325运输巷道顶板以软岩为主，因此在其上方采用前探梁和吊环相结合的方式对顶板进行临时支护。其中，所采用前探梁以金属钢管为主，要求前探梁的长度不得小于3.4 m，对于中深孔爆破孔对应前探梁的长度为4 m，并为其配置防滑固定链。对于吊环而言，其圆钢为原材料加工所得，并将其与永久支护中螺纹锚杆螺母进行固定。

2）永久支护。永久支护手段为锚杆与锚索的联合支护，根据325运输巷道岩巷、煤巷以及半煤巷的地质条件结合相关理论计算公式对锚杆支护参数进行综合确定，所确定的永久支护参数如：对于岩巷的永久支护所采用锚杆的直径为20 mm，锚杆长度为2 000 mm，每排锚杆间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm；而对于煤巷和半煤巷而言，其对应所采用锚杆的直径为20 mm，锚杆长度为2 000 mm，每排锚杆间距为800 mm，锚杆排间距为800 mm。

3.3 工业性试验

为证明本文所设计掘进工艺的高效性，对原爆破参数进行优化设计后对巷道掘进效率进行为期三个月的试验，注重对三个月期间工作面的推进长度进行考核。实践表明，在考核的第一个月工作面推进长度为154.2m，第二个月工作面推进长度为160.2 m，第三个月工作面推进长度为180.4 m。

试验证明，本文所设计的掘进工艺可大幅提升工作面的掘进效率，并在有效临时和永久支护的联合应用下保证了巷道的成形质量。

4 结语

煤矿工作面的掘进效率和成形质量对其煤炭生产能力具有重大影响。因此，需根据煤矿实际情况设计最佳、最合理的掘进工艺，并根据规范完成各类掘进设备在工作面的安装，保证掘进类设备的高效工作。本文对325运输巷道的掘进工艺进行研究，将其爆破掏槽眼角度优化为70°，掏槽眼长度优化为2 m，并且采用永久与临时的联合支护手段，达到提升了掘进巷道的推进速度（每月平均推进长度从120 m增加为160 m）和巷道成形质量。