掘锚一体机在华阳二矿巷道掘进中的应用

郭智慧

（山西华阳新材料科技集团 机电设备管理中心，山西 阳泉 030499）

2021 年我国原煤产量40.7 亿t，其中井工开采占比在90%以上。采用井工开采的煤矿，需要掘进巷道形成完整的生产、运输、通风等系统。据统计，单个煤矿每年新掘进巷道在13 000 m 以上，掘进量巨大。由于巷道掘进不及时造成矿井采掘接替紧张，影响正常生产的事情时有发生。近年来，巷道快速掘进理论及装备取得了一定的进展，机械化水平得到提升。本文以华阳二矿81203 工作面为工程背景，开展煤巷快速掘进装备及关键技术的研究。

1 工程背景

1.1 地质条件

华阳二矿81203 工作面位于470 水平十二采区，工作面东部为尚未掘进的81205 工作面及回风顺槽，西部为已回采的81201 工作面，南部为十二采区准备巷，北部为矿井边界。工作面所采煤层为15 号煤，属于复杂结构煤层，煤层总厚度3.2～4.7 m，平均4.22 m。煤层倾角3°～35°，平均5°，局部地段增大至25°以上。煤层基本顶为石灰岩，厚度为1.7 m，岩性致密坚硬，富含动物化石，中部夹薄层钙质页岩，节理发育岩。直接顶为泥岩和0.2 m 厚的14 号煤，泥岩厚度为1.5 m，岩性致密，性脆，含少量钙质，含方解石细脉。直接底为泥岩，厚度为2.06 m，岩性致密，含少量钙质，含星点状黄铁矿夹铁质结核及方解石细脉。

81203 工作面走向长1 637 m，倾斜长222.7 m，总体形态为背、向斜相间发育的宽缓褶曲构造。工作面采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，采用全部垮落法处理采空区。

1.2 支护方式

工作面共布置5 条巷道，分别为进风顺槽、回风顺槽、切巷、走向岩石低位抽采巷及走向岩石高位抽采巷。工作面回风顺槽规格为4 600 mm×4 400 mm（宽×高），采用锚网索支护，支护参数如图1 所示。

图1 回风顺槽支护Fig.1 Return air trough support

顶锚杆为φ20 mm×2 000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，排距为900 mm，每排布置6 根，中间4 根垂直顶板如图所示。每排锚杆采用W 钢带连接。

顶锚索的规格为φ21.6 mm×6 200 mm，五花布置，间距为2 000 mm，排距为900 mm。

实体煤帮锚杆规格与顶锚杆一致，回采帮采用玻璃钢锚杆，规格为φ18 mm×2 000 mm。帮锚杆间排距为1 000 mm×900 mm，每排布置5 根，最上位锚杆向上倾斜15°，其余垂直巷帮布置。

2 关键装备及技术

2.1 煤巷快速掘进方案

目前，我国常用的煤巷快速掘进作业设备配套机组主要有3 种，不同配套的对比见表1。结合表1 中优缺点，根据华阳二矿81203 工作面具体情况，选择采用掘锚一体机进行快速掘进设计。

由15 号煤顶底板岩性可以看出，81203 工作面煤层直接顶板为泥岩，强度低、自稳能力差，因此采用常规的悬臂式掘进机或连续采煤机在施工过程中，如果由于支护不及时容易出现冒顶、片帮等，影响掘进效率。因此，结合表1 所述优缺点，在81203 工作面回风顺槽选择采用掘锚一体机进行巷道施工，掘锚一体机型号EBZ260M。

表1 不同配套方案的对比Table 1 Comparison of different supporting schemes

2.2 掘锚一体机主要参数

EBZ260M 掘锚一体机如图2 所示，该一体机基于传统掘进机研发，实现了掘进和支护的集成作业，大大提高了掘进速度，其主要参数如下：

图2 EBZ260M掘锚一体机Fig.2 EBZ260Mdigging anchor machine

2.3 关键技术

2.3.1 掘运支一体化

实践表明，煤巷掘进中顶板及两帮的支护速度是影响掘进速度的主要因素。掘锚一体机可同时实现掘进、运输、支护3 个工艺，与连采机相比，无需退机即可实现对巷道的支护，大大提高了生产效率，满足81203 工作面回风顺槽快速支护的要求。

2.3.2 遥控及远程监控技术

EBZ260M 掘锚一体机上安装有机载控制器，通过网络与地面控制系统相连接，可实现对掘进机远程控制，包括割煤、运输等。同时在掘锚一体机上布置摄像头，可实时监测工作面掘进状态，迎头煤岩体的产状等信息可实时传输至地面，及时对巷道掘进情况进行调整。

2.3.3 湿式除尘技术

在EBZ260M掘锚一体机后部装有局部通风机，将距离迎头3～5 m 处的污风吸入到抽尘风筒中，风筒出口安装有离心湿式除尘器，将煤尘打湿随水排走，减少了粉尘污染，有效改善了作业环境。

2.3.4 运输自动化技术

在地面调度安装控制器，引入一体机的工况、带式输送机的控制、除尘器的控制等，可在地面启动运输及除尘系统，实现对迎头落煤的远程运输。

3 现场应用

3.1 掘进工艺

使用掘锚一体机进行81203 工作面回风顺槽快速掘进，其工艺分为割煤、运煤和支护3 大部分。

3.1.1 割煤工序

巷道一次成形，每次割煤深度800 mm。具体流程如图3 所示。

图3 掘锚一体机割煤示意图Fig.3 Coal cutting demonstration of digging anchor machine

（1） 升高截割头。

操作一体机将切割头升至巷道的设计高度。

（2） 启动切割头。

启动截割点击，使得截割滚筒旋转割煤，在巷道设计高度方向割煤，每次割煤深度为800 mm。

（3） 向下割煤。

巷道最高处割煤完成后，由上向下依次割煤，直至将整个巷道断面煤体切割完成。

（4） 前进。

完成上述动作后，即完成一个断面的切割，将掘锚一体机前移，并将截割头升至最高处深入煤壁中。

3.1.2 运煤工序

EBZ260M掘锚一体机上安装有铲板和三星轮，可将落煤装载至输送机上。利用转载机运至二部皮带、头部皮带，经过华阳二矿15 号煤十二采区皮带，将煤输送至15 号煤十二区煤仓。

3.1.2 运煤工序

EBZ260M掘锚一体机上安装有铲板和三星轮，可将落煤装载至输送机上。利用转载机运至二部皮带、头部皮带，经过华阳二矿15 号煤十二采区皮带，将煤输送至15 号煤十二区煤仓。

3.1.3 支护

巷道支护分为临时支护和永久支护2 种。EBZ260M 掘锚一体机本身安装有液压支撑架和支顶帐篷作为临时支护装置。在割煤之前和割煤过程中，将液压支撑架撑起，支护裸露的顶板。割煤完成进行永久支护之前，利用支顶帐篷护住工作区域。

巷道永久支护是锚杆索支护，与单体锚杆钻机进行支护不同，掘锚一体机的永久支护分为以下步骤：①将掘锚一体机的模式调至“锚杆”模式；②将4 个前支撑盘分别与顶底板紧密接触；③永久支护工登上作业平台，首先将网片连接作为临时护顶护帮用；④操作一体机上的锚钻至预订位置，进行打眼；⑤将树脂药卷送入钻孔中，安装顶锚杆，边搅拌边推进，直至锚杆达到钻孔底部；⑥等待60 s，待锚固剂凝固后，安装锚杆螺母，同时将帮网和顶网连接；⑦用同样的方式安装巷道两帮最上位的锚杆，滞后一段距离在掘锚一体机后方安装剩余帮锚杆。

3.2 矿压观测

巷道成形后，为验证EBZ260M 掘锚一体机的应用效果，设置测站对巷道表面位移进行观测。测站间距为50 m，共设置5 个，观测内容主要为巷道顶板下沉以及两帮移近量。以3 号测站为例，观测结果如图4 所示。

图4 巷道表面位移观测结果Fig.4 Observation results of roadway surface displacement

由观测结果可以看出，巷道掘进后，变形量较大，30 d 左右巷道变形达到稳定，顶板最大下沉量为90 mm，两帮移近量为70 mm。总体巷道变形量小，支护效果理想。

3.3 效益分析

EBZ260M 掘锚一体机在华阳二矿81203 工作面回风顺槽掘进中取得了理想的效果。现场应用中，最高日进尺达35.6 m，平均进尺31.4 m，是传统悬臂掘进机速度的1.48 倍，为工作面开切眼的提前贯通奠定了基础。

除巷道掘进速度提升外，掘锚一体机的优势还体现在以下方面。

（1） 一体机利用机载支撑架对顶板进行临时支护，有效避免了空顶作业，大大提高了安全性。

（2） 钻眼速度快，工人劳动强度低，并且自带除尘系统，煤尘小，作业环境得到得到改善。

（3） 掘锚一体机实现了单巷掘锚支一体化，取消了双巷掘进中的联络巷，有利于减少无效进尺，降低生产成本。

4 结语

与工作面回采相比，巷道掘进机械化发展水平较低，造成采掘接替紧张，严重制约了矿井的安全高效生产。掘锚一体机实现了掘进和支护的集成作业，大大提高了掘进速度，具有掘运支一体化、遥控及远程监控技术、湿式除尘技术和运输自动化技术等关键技术。将EBZ260M 掘锚一体机在华阳二矿81203 工作面回风顺槽掘进中成功应用，现场实践表明，掘锚一体机是悬臂掘进机速度的1.48 倍，并且改善了作业环境，提高了安全性，取得了显著的经济和社会效益。