掘锚一体机在复杂地质条件巷道掘进中的应用研究

崔立德

（山西焦煤汾西矿业双柳煤矿， 山西 柳林 033300）

引言

随着矿井综合开采、掘进技术及灾害治理能力的不断提升，矿井煤炭生产能力得以快速增加[1-2]。采用综合机械化掘进方式代替传统的炮掘，可提高掘进效率并降低作业人员劳动强度[3]。但是现阶段矿井普遍使用的综掘机掘进、锚杆机支护围岩方式仍存在辅助效率低、掘进循环耗时长及作业人员劳动强度大等问题。掘锚一体机可实现破煤岩及巷道围岩支护的同步开展，从而大幅降低围岩支护耗时[4-5]。本文对山西某矿61103 运输巷掘进使用的掘锚一体机应用情况进行分析，以便为其他矿井回采巷道快速掘进提供经验借鉴。

1 工程概况

61103 运输巷沿着11 号煤底板掘进，煤层埋深450 m、厚度3.5 m，倾角5°。运输巷为矩形断面，宽×高=5.2 m×3.5 m，断面积为18.2 m2，掘进长度为1 900 m。已有地质资料显示，11 号煤层上覆基本为粉砂岩（厚度3.4 m）、直接顶为泥岩（厚度2.3 m）；直接底为泥岩（厚度1.2 m）、基本底为细砂岩（厚度3.9 m）。

受区域地质构造影响，61103 运输巷掘进位置地质条件较为复杂，掘进过程中受到围岩岩性松软、地应力及煤层中部夹矸等影响。为了提高巷道掘进效率，矿井将掘锚一体机应用到巷道掘进中。

2 掘锚一体机现场应用优化

由于61103 运输巷掘进区域内地质条件较为复杂，为了提高掘锚一体机应用效果，需要依据现场条件对掘锚一体机进行针对性优化。根据以往研究成果[6-7]，并结合掘锚一体机现场实际应用情况，具体优化集中在临时液压顶篷、阻挡落煤装置、破煤方式等方面。

2.1 临时液压顶篷优化应用

由于61103 运输巷掘进范围内地质构造复杂，围岩承载能力较差。掘锚一体机截割破岩时围岩自稳时间较短，而机载临时液压顶篷由于有效支护范围较小，无法完全支护掘进区域顶板，因而极易导致掘进迎头位置出现冒顶事故。因此，为了提高掘锚一体机安全保障能力，对临时支护设备进行优化改进，具体措施为：将掘锚一体机临时支护改为“临时顶板+千斤顶+耳子+销子”构造的临时支护形式。改造后使用的千斤顶长度、宽度分别为1 500 mm、500 mm，有效支护面积较改造前增加约2.5 倍。临时液压顶篷优化后示意图，如图1 所示。

图1 临时液压顶篷优化后示意图

2.2 阻挡落煤装置优化应用

由于61103 运输巷顶板岩层破碎，在掘锚一体机前进过程中掘进迎头位置煤壁、顶板破碎矸石掉落下来可能会给附近作业人员身体安全带来威胁。为此，本文提出在掘锚一体机上增加阻挡落煤及落矸的装置，提高作业人员安全保障能力。具体优化改造方式为：在优化改造完成后的液压顶篷下焊接断面积50 mm×50 mm 的方形钢板；在挡煤（矸）装置上增设规格40 mm×40 mm 的方形插销；在掘锚机下部位置布置Φ38 mm×1 300 mm 圆钢，并在圆钢上增设挂钩，用于固定规格2200mm×10mm×200mm的木板。在掘锚一体机前移过程中，将挡煤（矸）装置安装在掘锚机前方槽体中，即可阻挡迎头位置崩落的矸石及煤体；在截割时取下该装置即可。

2.3 截割方式优化

对掘锚一体机截割方式进行优化，具体截割路径为：掘锚一体机截割头置于掘进迎头煤壁中部位置，截割头进入煤壁1.0 m 后开始由上向下截割下部煤体；当截割头截割到几班位置后，截割头回撤1.0 m 并反复拉低确保底板平整；完成底部截割后前移掘锚一体机并对顶板、巷帮进行支护；支护完成后开始截割巷道迎头上部煤体。采用优化后的截割方式，可降低顶板空顶时间，减少围岩变形量。具体优化后的截割方式如图2 所示。

图2 优化后的截割方式

3 掘锚一体机应用效果

3.1 掘进进尺

61103 运输巷从开口位置布置掘锚一体机掘进，对巷道掘进进尺进行统计分析。监测发现，巷道平均进尺可达到20 m/d，掘进进尺达到600 m/月，较普通综掘方式的掘进效率提升50%以上。

掘锚一体机在6 月开始投入使用，在使用初期由于作业人员对掘进区域内地质赋存条件不熟悉，加之掘进范围内地质条件复杂，从而导致巷道掘进进尺平均为10.5 m/d，掘进速度较低；随着对施工区域内地质条件熟悉度增加及对掘锚一体机进行针对性优化改进，掘进进尺得以快速提升，到8 月时巷道综合掘机进尺可达到20 m/d，同时仍在缓慢地提升。在后续巷道掘进过程中，掘锚一体机可保持600 m/月以上的掘进进尺。

3.2 经济效益

在61103 运输巷采用掘锚一体机后，根据现场实际情况对巷道支护参数进行优化。巷道原采用锚杆锚机施工综合支护成本为3 780 元/m，采用掘锚一体机并对支护参数进行优化后巷道综合支护成本降低至3 105 元/m，成本综合降低幅度为675 元/m。61103 运输巷设计掘进长度为1 900 m，则综合支护成本将减少128.3 万元。

巷道采用的掘锚一体机综合掘进效率较综掘机高50%以上，巷道掘进减少人力成本约为19 万元；同时61103 运输巷掘进耗时不到4 个月即完成掘进，有效缓解了矿井采掘接替紧张局面。

4 结语

61103 运输巷地质条件复杂及顶板岩层破碎等因素是制约掘锚一体机现场应用的主要因素。为此，依据运输巷实际地质条件对掘锚一体机结构及截割方式等进行针对性优化，具体为：通过对临时液压顶篷进行改进，增加了掘进迎头临时支护面积，不仅可减少顶板下沉量，而且可避免出现顶板冒落问题；通过增加阻挡煤的装置，可避免掉落的煤、矸石等给附近作业人员的安全造成影响；对截割头截割方式进行优化，提高了截割效率。

现场应用后，61103 运输巷综掘掘进进尺达到600 m/月以上，巷道耗时不到4 个月即完成掘进，同时综合支护成本较传统的综掘机降低128.3 万元、人力资源成本降低19 万元，现场取得较好的应用成果。