掘锚一体机切眼大断面一次成巷掘进技术应用

2022-04-14李旭东

煤炭与化工 2022年2期

李旭东

（晋神沙坪煤业有限公司，山西忻州 036500）

0 引言

煤矿采煤工作面切眼因需满足工作面液压支架、运输机及采煤机等综采设备的安装，造成切眼所需断面较大，其掘进方式也因断面跨度大造成一次掘进成巷困难，通常采用小断面掘巷+二次扩巷方式达到切眼所需宽度，该掘进方式存在切眼施工工期长、顶板管理难度大，且二次扩巷期间因受运输设备影响难以布置综掘设备，需采取人工扩巷，造成员工劳动强度大[1]，此外，小断面掘巷期间两帮均需进行支护，二次扩巷期间需拆帮扩巷造成材料浪费，因此，需研究一次掘进成巷且能减少员工劳动强度的切眼大断面综掘施工技术，以解决以上问题。目前，掘锚一体机在煤矿井巷掘进中已广泛使用，本文针对掘锚一体机配套的桥式转载机具备一定摆幅的特点[2]，研究了一套采用掘锚一体机进行切眼大断面一次掘进成巷技术，有效解决了切眼大断面采用小断面掘巷+二次扩巷形成的诸多弊端，可为切眼大断面一次成巷掘进提供技术参考。

1 概况

沙坪煤业有限公司13102切眼掘进工作面以南为井田边界，以西为13101工作面，以东为13103工作面，对应地面位于王玉庄村东南、菅家沟村西南的猫儿沟排土场下方。13102切眼设计工程量180.5 m，巷道沿煤层顶板掘进，断面形状为直墙矩形，巷宽7.8 m，巷高3.8 m，掘进断面28.86 m2，净断面27.65 m2；正对切眼的绞车硐室深度5 m，巷宽5.5 m，巷高3.8 m。切眼内调车硐室深度5 m，巷宽5.5 m，巷高3.8 m，共2个调车硐室。正帮侧采煤机机窝全长40 m，深度1.5 m。巷道开口20 m段巷宽10.5 m，巷高3.8 m。切眼采用ABM20型掘锚一体机掘进及支护，掘进煤矸通过掘锚一体机输送机运至桥式转载机，最后使用皮带机运出，辅助运输为无轨胶轮车。13102切眼巷道平面如图1所示。

图1 1 31 02巷道平面图Fig.1 Roadway layout of No.13102 Face

2 支护设计、工艺及质量要求

2.1 切眼断面支护设计

（1）顶部支护。顶部锚杆选用φ18mm×2 000 mm圆钢锚杆，锚杆间排距为800mm×1 000 mm，配合长度为2.5 m×（5.6+2.3）m的铁丝网支护。顶部锚网支护后，及时采用锚索补强支护，锚索选用φ17.8mm×8 000 mm预应力钢绞线，间排距为1 500 mm×2 000 mm，配合W钢带支护，W钢带型号为0.23 m×3.6 m，W钢带搭接使用。采用CK2360树脂锚固剂锚固锚杆、锚索。

顶部锚网支护及锚索补强支护后，随巷道掘进在皮带外侧施工一排单体支柱对顶板进行加固，单体支柱配合4 m长π型钢形成一梁三柱。切眼施工完毕并拆除掘进设备及胶带后，施工两排单体支柱进行加固，单体支柱间距1 m，排距3.5 m，3排单体柱居中布置。

（2）帮部支护。切眼正帮使用φ22 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆，帮网采用2.5 m×5 m硬质塑料网支护，锚杆呈矩形对称布置，间排距为2 000mm×2 400 mm；负帮选用φ16 mm×1 800 mm的圆钢锚杆，帮网采用宽2.5 m、长5 m的金属网支护，锚杆呈矩形对称布置，间排距为1 000 mm×1 600 mm。在掘进过程中，帮部破碎时可根据现场实际情况缩小锚杆间排距，保证两帮支护到位方可进行掘进。13102切眼断面支护如图2所示。

图2 1 31 02切眼支护断面Fig.2 Open-off cut support section of No.13102 Face

2.2 支护工艺及质量验收要求

（1）顶部支护工艺。顶部锚杆、锚索支护均由ABM20型掘锚一体机上的4个顶锚钻箱完成，根据支护设计，顶部共10根锚杆及4根锚索，其中顶部两侧距帮300 mm处各施工1根锚杆，其余中间锚杆间距均为800 mm，切槽时每排先支护切槽部分的顶部7根锚杆及3根锚索，采垛完成后再补齐采垛部分顶部3根锚杆及2根锚索，锚杆、锚索施工顺序均为先中间、后两侧。

（2）帮部支护工艺。顶部锚网及锚索支护完成后，由风动锚头完成巷道正帮、负帮的支护。负帮施工帮锚杆每排3根，最上面一根锚杆距顶间距200 mm，其余锚杆间距1 m，排距1.6 m。正帮施工锚杆每排2根，最上面一根锚杆距顶间距200 mm，其余锚杆间距2 m，排距2.4 m。帮部锚杆施工顺序为从上往下施工。

（3）掘进工作面永久支护后最大未支护距离的确定。掘进工作面循环进尺为1 m，因掘锚一体机最小未支护距离为2.4 m，故距工作面迎头最大未支护距离为3.4 m。锚索每2 m进行一排支护，永久支护后锚索距工作面迎头最大未支护距离为5.4 m，帮锚杆距工作面最大未支护距离为15 m（掘锚一体机长度+最小控顶距）。

（4）为确保切眼大断面支护质量，必须严格进行切眼支护质量检查验收，主要检测巷道宽度、高度、锚杆（索）间排距、锚杆扭矩、锚索张拉力等支护参数及质量。每班由跟班队干对当班所施工的锚杆扭矩进行验收，及时补打失效锚杆，对当班检测扭矩不达标的锚杆必须进行二次紧固，检测后按要求填写相关记录。定期对巷道锚杆、锚索进行拉拔试验，发现不达标，要及时进行补打并按照要求填写相关记录。具体验收标准如下：

巷道宽度/mm 0～+100

巷道高度/mm -100～+100

锚杆间排距/mm -100～+100

锚杆安装角度/（°）与岩面≥75

锚杆外露长度/mm 露出螺母10～50

锚杆螺母扭矩/（N·m-1） ≥260

锚索间排距/mm -100～+100

锚索外露长度/mm 露出锁具150～250

锚索张拉力/kN ≥100

3 大断面一次成巷施工方案

由于ABM20型掘锚一体机在整机不动的情况下最大可截割宽度为5.2 m，而13102切眼设计宽度7.8 m，故一次掘进成巷需分为切槽及采垛2次工序来完成，即先掘进切槽部分，然后利用桥式转载机可左右摆动10°的特点，将掘锚一体机后退并行进至采垛部分进行掘进，并在2个部分掘进期间，现场员工可与掘锚一体机进行错位平行作业，以提高人、机工作效率。

（1）切槽、采垛断面划分及设备铺设。根据掘锚一体机最大可截割宽度及13102切眼设计宽度情况，将正帮侧5 m作为先行截割的切槽部分，将负帮侧2.8 m作为采垛部分。采用激光指向仪标示巷道中线，胶带输送机铺设位置为靠近巷道中线并偏正帮位置（便于桥式转载机后方沿巷中打设单体支柱）。

（2）掘进及支护平行作业施工。掘进作业前，先利用激光指向仪标定的巷道中点，标示出巷道两帮轮廓线及切槽、采垛分界线，然后再开机掘进。掘进期间，先截割切槽部分，掘锚一体机掘进一个循环深度时，对空顶部分进行锚杆及锚索支护，边掘进边支护顶部锚杆、锚索，直至掘进3个循环（3 m）并完成顶部支护及煤矸清运后，将掘锚一体机退出，然后行进至采垛部分进行截割，并按掘进切槽部分的施工方案进行掘进及支护工艺，依此工序进行切槽、采垛间交替掘进的方式往前掘进。在掘锚一体机退出切槽部分并掘进采垛部分期间，作业人员可进入切槽部分利用风动钻机施工帮部锚杆，在掘进切槽部分期间，作业人员换至采垛部分施工帮部锚杆，实现人、机平行作业。

（3）设备检修与支护平行作业。为保证设备高效正常运转，每天早班前半班为设备检修时间，检修期间，将掘锚一体机退出迎头5 m以外，掘进作业人员可进入迎头，对未完成支护的帮部进行补打锚杆，对顶部采用掘锚一体机未及时施工的锚索进行补打，确保及时补齐支护，为正规作业循环打下基础。

4 存在的风险及防范措施

（1）大断面一次成巷施工期间，可能因断面跨度较大发生顶板冒落事故，需采取相应的防范措施。一是必须按划分的切槽、采垛区域分次掘进，以减少一次掘进断面的最大跨度；二是掘进期间必须及时支护，掘进深度达到一个循环后，利用掘锚一体机顶部的4个顶锚钻箱完成巷道顶板支护，顶部未支护深度不得超过2 m[3]；三是及时进行帮部支护，防止大跨度顶板作用于未支护的帮部，造成片帮事故，帮部支护滞后迎头不宜超过5 m。

（2）人、机错位平行作业期间，可能发生设备伤人事故，需采取相应的防范措施。一是掘锚一体机操作人员为经过培训并取得特种作业操作资格证的专职司机，并严格按作业规程及操作规程进行规范操作[4-6]；二是进行错位平行作业的支护人员严格执行平行作业相关措施要求，在人员作业侧距离掘锚一体机1 m处拉警戒线，防止人员进入设备掘进侧；三是由跟班队长现场协调指挥，全面负责迎头平行作业期间安全。