超大倾角巷道综掘技术应用

冀 虎 肖利金

（山东华新建筑工程集团有限责任公司，山东 泰安 271219）

0 研究背景

在煤炭开采中，综掘机应用是制约生产效率的关键因素。综掘机掘进在煤矿巷道开拓及煤炭开采中应用普遍，一般综掘机掘进坡度范围均为±18°。在坡度超过+25°的超大倾角情况下，综掘机使用受到影响，存在施工效率低下、人员劳动强度大、安全系数低等问题。

在煤矿井下超大倾角巷道上山施工过程中，综掘机往往出现爬坡无力，前进、后退困难，严重时甚至出现溜车现象，严重影响施工安全。因此迫切需要改善生产作业条件，需研究解决综掘技术在超大倾角巷道中的施工技术难题，提高生产效率及安全作业条件。

1 工程概述

内蒙能源长城六号矿业有限公司位于鄂尔多斯市鄂托克前旗上海庙矿区，矿井主要开采煤层为3 层煤、5 层煤及9 层煤。根据三维地震勘探报告资料综合分析，煤层大致呈南北走向，倾向东。煤层倾角在26°～32°，平均倾角30°。工作面开采过程中须施工顺槽切眼，已满足回采期间的通风、安装、运输及行人需要。1302 切眼平均坡度+29°，局部+32°，切眼全长175.6m。

2 支护设计

1302 切眼采用“锚带网+锚索”联合支护，断面形状为矩形。巷道采用机载液压支架作为临时支护，截割前最大控顶距0.3m，循环进度2.0m，截割后最大控顶距不超2.3m。永久支护采用锚网带+锚索支护形式。

2.1 支护方式及验算

2.1.1 临时支护方法

巷道采用前探梁作临时支护，截割前最大控顶距0.3m，循环进度2.0m，截割后最大控顶距不超2.3m。前探梁使用长度不低于4m 的钢管制作，弯曲变形的前探梁严禁使用；前探梁使用不少于3 根，梁间距800mm～1200mm，使用2 根前探梁前端方木，保证不超过300mm 的两帮端面超前支护距离。前探梁、吊环的强度要与前探梁的强度相匹配，人员必须在前探梁的有效掩护下作业。前探梁配合方木，方木规格：长×宽×厚=1500mm×120mm×120mm；方木上面用木枇加实贴紧顶板。移前探梁时，其下方严禁有人。顶板完整时，截割前最大空顶距不大于0.3m，截割后最大空顶距不大于2.3m，循环进尺2m。顶板破碎时缩小循环进度为1m。顶板极其破碎时，截割前先打超前锚杆作辅助临时支护。

2.1.2 永久支护方法

1302 切眼永久支护采用锚网带+锚索支护，具体支护如下。

2.1.2.1 开帮前

巷道净宽4.0 米、净高3.0 米，如图1 所示。

巷道顶板：采用5根MSGLD-335/22×2200锚杆配W钢带（4300mm×280mm×3mm）及10#菱形网（4600mm×1100mm）支护，锚杆托盘采用150×10-28，间排距为1000mm×1000mm，每根锚杆采用2 支MSK2835 树脂锚固剂锚固。

老空侧帮部：采用4 棵MSGLD-335/22×2200 锚杆配钢带托盘（400mm×280mm×3mm）及10#菱形网（3300mm×1000mm）支护，锚杆托盘采用150×10-28，帮部肩窝和底角采用异形托盘，间排距为900mm×1000mm，每根锚杆采用2 支MSK2835树脂锚固剂锚固。

刷大侧帮部：采用2 棵全螺纹式树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体 MGSL-20×2000F （圆形）配钢带托盘（400mm×280mm×3mm）及双抗塑料网（2600mm×1000mm）支护，锚杆托盘采用玻璃钢锚杆专用托盘，间排距为2000×1500mm；每根锚杆采用2 支MSK2835 树脂锚固剂锚固。

补强支护：距离左帮1100mm、3500mm 各打设1 棵φ17.8×L6300mm普通矿用锚索，锚索托盘采用300mm×300mm×16mm钢托盘，间排距2400mm×2000mm，每根锚索采用5 支MSK2835树脂锚固剂锚固。

2.1.2.2 开帮后

按照净宽3.0m、净高3.0m 开南帮，如图2 所示。

顶板：采用3 根MSGLD-335/22×2200 锚杆配W 钢带（3300mm×280mm×3mm）及10#菱形网（3600mm×1100mm）支护，与原支护交错布置，锚杆托盘采用150×10-28，间排距为1000mm×1000mm，每根锚杆采用2 支MSK2835 树脂锚固剂锚固；

刷大后帮部：采用3 棵全螺纹式树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体 MGSL-20×2000F （圆形）配钢带托盘（400mm×280mm×3mm）及双抗塑料网（3000mm×1100mm）支护，锚杆托盘采用玻璃钢锚杆专用托盘，间排距为1200mm×1500mm；每根锚杆采用2 支MSK2835 树脂锚固剂锚固。

图1 1302 切眼永久支护图（开帮前）

补强支护：距离原支护锚索2400mm 打设1 棵φ17.8×L6300mm 普通矿用锚索，锚索托盘采用300×300×16mm 钢托盘，间排距2400×2000mm，每根锚索采用5 支MSK2835 树脂锚固剂锚固。

2.1.3 按悬吊理论计算锚杆参数

公式如下。

式中：f—岩石坚固性系数，取6；B—巷道宽度，取7.3m；则：L=0.61m。

图2 1302 切眼永久支护图（开帮后）

L =0.1+0.61+0.7 = 1.41m ＜2.2m

根据杆体承载力与锚固力等强度原则计算杆体直径d。

式中：d—锚杆直径，mm；Q—由拉拔试验确定的锚固力，取130kN；σ—杆体材料的抗拉强度，335MPa；则d=21.9mm＜22mm。

根据每根锚杆悬吊的岩重，计算锚杆间距排距e、i，通常按锚杆等距排列：

式中：K—锚杆安全系数，一般取1.5～2.0；γ—被悬吊岩体重力密度，取25 kN/m³。

则：e=i= 1.73m。

锚杆间排距1000mm×1000mm 可以满足要求。

根据矿井实际情况，确定该巷道的支护参数：巷道采用锚网带+锚索支护，锚杆采用MSGLD-335/22×2200 锚杆，锚杆间排距为1000mm×1000mm，成排成行布置。

根据选取的支护参数计算其支护密度为q=1/（1×1）=1根/m，能够满足支护要求。

2.2 质量要求

质量要求如下。1）锚杆的锚固方式采用加长锚， 锚固长度不小于钻孔长度的1/3， 每根锚杆采用2 卷MSK2835 型树脂锚固剂锚固，扭矩不小于400N·m，岩石中的锚固力不小于130kN，煤层中的锚固力不小于70kN，保证锚固端在岩石中。锚杆的安设要垂直于巷壁，与巷壁夹角不小于75°，上下帮肩窝与底角锚杆托盘使用偏心托盘，托盘要紧贴岩面不松动，接触面积≥80%，螺纹钢锚杆外露长度为10mm～100mm。两帮最下一排锚杆距底板不大于300mm，与水平呈10°～30°打入。2）锚索的锚固方式采用加长锚， 锚固长度不小于钻孔长度的1/3， 每根锚索采用4 支MSK2835 型树脂锚固剂锚固，锚索预应力不小于200kN，锚索的安设要垂直于巷壁，与巷壁夹角不小于87°，锚索外露长度为150mm～250mm。3）菱形网，网格50mm×50mm，网与网之间搭接100mm 紧贴巷道岩面。

2.3 质量规定

质量规定见表1。

3 掘进施工方法

3.1 具体方法

沿3 煤顶板掘进，采用激光定向，综掘落煤，综掘机一运，耙装机，刮板输送机，再到带式输送机运煤的施工方法。小断面上山掘进，然后进行刷帮完成大断面施工。巷道上山掘进具体方案如下。1）将综掘机二运转载皮带拆除，安装一部刮板输送机在掘进机后部，刮板输送机搭载平巷皮带，解决综掘机多余负载问题，随着巷道掘进，择机选择增加搪瓷溜槽接续刮板输送机。2）现场人为设计制造缓坡小倾角平台。给掘进机创造爬升条件，掘进机截割后，掘进落煤暂不外运，将掘进煤垫在综掘机履带轮底部，机组后部可适当多垫，人为制造一个坡度为13°～15°，长度为13m 左右的“临时底板”（掘进机机身长为11m），以降低掘进巷道底板坡度，使掘进机具备自行爬坡能力。3）掘进时，综掘机要前后调整，以便下部浮煤压实，避免综掘机打滑，待掘进通过后，再清理浮煤至设计断面，一个循环一个循环重复进行。4）人工制造的临时底板铺垫的均为浮煤、浮矸，整体松软不耐压，坚决杜绝流水冲刷，在施工时，要特别注意排水，治水。5）掘进过程中由于巷道坡度大，为防止掘进时煤和矸石窜出或滚落伤人，应在中部溜子处架设挡矸设施。

表1 综掘巷道切眼施工质量规定

3.2 综掘机生产工艺流程

开机前安全检查→校对中线→煤粉监测→综掘机割、装、运→清浮煤→退出综掘机组→敲帮问顶→临时支护、铺网背顶→打锚索、锚杆支护→下一个循环。

3.3 检修工艺流程

检修前准备→检修综掘机各部位，加油、更换截齿，检修各部刮板运输机→皮带运输机及延伸，下料、其他工作→正常掘进。

掘进工作面最大循环进尺为2000mm，最小循环进尺为1000mm。

4 截割顺序和支护方法

4.1 截割机具和钻眼机具

使用EBZ-200A 型综掘机掘进，打顶锚杆、锚索眼支护使用MQT-130 型气动锚杆钻机，打帮锚杆支护使用7665（7655）M 型风钻进行。

4.2 机组截割顺序、方法

4.2.1 开机顺序

将综掘机电控箱右侧隔离开关手柄扳至“接通”位置→将“复位/警报”开关旋至“警报”位置→发出开机信号→将“油泵启/停”开关旋至“启动”位置→在警报先鸣响5S后油泵电机启动运转→将“截割电机启/停”开关旋至“启动”位置→在警报先鸣响5s 后截割电机启动运转→将“二运电机启/停”开关旋至“启动”位置，二运电机启动运转。

4.2.2 综掘机滚筒截割断面工艺

4.2.2.1 截割工艺

综掘机截割完成一个循环，断面达到规定标准要求后退出综掘机，使截割部机头落地，闭锁截割部电动机，断开综掘机上的电源开关和真空磁力启动器的隔离开关，支护人员在上一循环永久支护和前探梁临时掩护下，挂网上梯子梁打顶帮锚杆锚索紧固后，再进行下一个循环。

4.2.2.2 断面支护方法

在综掘机割出一个循环进度后，后退设备，让截割头落地，将截割部电动机闭锁，断开设备电源开关和真空磁力启动器的隔离开关，严禁专职司机以外人员操作综掘机。作业人员用不小于2.0mm 长的长柄工具，处理顶帮活矸危岩并进行敲帮问顶，确保掘进迎头无安全问题时，支护人员在上一循环永久支护下从外向里前移前探梁临时支护→挂网上W钢带→打顶锚索→上好W 钢带、涨拉锁具→用锚索涨拉器检查扭力矩是否合格→打注顶锚索后→打帮锚杆→挂网上托板→扭矩扳手检查扭力矩是否合格→不合格继续增加扭力→合格为止（帮锚杆为400N·m）。截割时，必须要全断面挂网、锚杆、锚索及时支护。

5 劳动组织

采用正规循环作业方式组织生产，“三八”工作制。每班2 个循环，每日完成5 个循环（早班检修，掘进一个循环）。1-1 断面循环进度2m，日进10m，月进250m；2-2 断面，循环进度1m，日进度5m，月进度125m（影响时间每月总计5 天）。

6 超大倾角巷道掘进综掘安全技术措施

6.1 平行作业

为了使 EBZ-200A 型综掘机发挥最大功效，提高巷道掘进速度，在掘进和运输设备生产能力有保障的情况下，研究加快支护速度、提高质量显得尤为重要。在巷道的掘进中采用多台MQT-130 型气动锚杆钻机施工顶部锚杆、锚索眼，多台7665（7655）M 型风钻施工帮部锚杆眼的顶帮联合平行作业的方式，减少调机时间和次数，协调好截割与支护的关系。缩短顶帮暴露时间、减少施工过程中片帮、冒顶危害，保障施工安全和进度。

6.2 综掘机安全使用措施

综掘机安全使用措施如下。1）综掘机必须装有只准以专用工具开、闭的电气控制回路开关，专用工具必须由专职司机保管。2）施工过程中，综掘机上所有的安全闭锁、保护装置必须坚持使用，严格禁止擅自改动或者甩掉不用，液压系统、雾化系统各部的压力不经专业人员指导，不得随意调整。3）安排专职司机操作综掘机，必须全部断开综掘机上的电源开关并闭锁，否则司机严禁离开操作台。4）综掘机操作侧对侧，必须安装紧急停止按钮。专人定期试验，有隐患及时处理，隐患未处理严禁继续使用该综掘机，记录存档被查。5）综掘机开动前，必须发警报。确认综掘机铲板前方及截割臂附近无人时，方可开动设备。施工过程中不论是开机、退机或调机，必须发出报警信号。6）综掘机作业时，要严格按规定使用内、外喷雾装置，配合除尘器形成综合防尘系统，以便对掘进迎头含尘气流进行有效控制。机载内喷雾装置工作压力不得小于2.0 MPa，外喷雾装置工作压力不得小于4.0MPa。综掘机出现无水、喷雾装置损坏、雾化不好等以上任意情况必须停机。7）截割部运行时，严禁人员在截割臂下停留和穿越，机身与煤（岩）壁之间严禁站人。8）迎头交班或者综掘机停止工作时，必须将综掘机截割部落地，将铲板、一运和二运上的余煤矸排净，全部断开综掘机上的电源开关、磁力启动器等隔离开关并闭锁。9）综掘机检修时，其他人员严禁在截割臂、截割头和转载桥下方停留或作业。10）每班掘进前，班组长要和综掘机司机一起认真检查迎头围岩和支护、通风、瓦斯及设备周围情况，确保工作场所安全、整洁、无障碍物。11）检修综掘机、综掘机停止作业或交班前，人员在迎头施工时，首先将综掘机退至迎头外5 米，然后将截割头落地，开关停电闭锁，并在截割头上安装防护罩，防止截割头伤人。12）综掘机开机前，对机器必须进行检查。13）经检查现场无异常，并确认机器正常，作业人员撤到安全区域后，可合上电源总开关，按操作规程要求的正规程序进行空载试运转，严禁带负荷运转起动。14）综掘机开机前必须发出警报信号，闭合隔离开关，按设备操作规定顺序起动设备。一般情况下起动顺序：液压泵→放下铲板→铲板贴紧底板→后支撑贴紧底板→二运转载皮带机→一运刮板输送机→铲板行星轮→截割头。15）按施工作业规程进行截割工作，现场观察根据不同性质岩层，确定最佳截割方式。截割深度决定于围岩的截割阻力，截割的速度取决于瓦斯的涌出量及风量，一般以液压系统的压力不超整定值、截割电机接近满载、设备不产生强烈震动、掘进落煤效率最高为宜，通常推荐截割深度为截割头直径的2/3。16）迎头过断层时，要根据现场实际情况制定补充专项措施。通过下压正断层时，可采用后退卧底法，严格按中腰线设计施工，下盘巷道超高处及时补打锚网支护，上盘挑需要顶掘进确保巷道高度；当巷道通过上跳正断层时，采用后退或者直接割顶法，直接割顶法：综掘机直接将上盘顶板或者下盘煤挑至顶板、下盘可根据断层落差来最终确定卧底尺寸。并在两盘结合处通过补打锚索等方式加强支护。17）巷道掘进时，迎头要做到底板平、两帮直，无伞檐，施工高度符合掘进作业规程要求。迎头掘进遇断层或者构造时，必须制定专项施工措施，严格按综掘机设计截割硬度截割。迎头掘进后要尽快支护，减少围岩暴露时间，及时支护新暴露出来的围岩，施工过程中要及时摘除围岩悬矸。在掘进过程中发生片帮、掉顶时，要立即停止截割，紧急采取适当措施，加强顶板及两帮维护，避免发生冒顶事故。

7 结语

在倾角综掘机施工工艺在大坡度煤巷掘进，尤其是在超大倾角煤巷掘进中优势明显，通过该方案的现场实施，平均日进尺由之前的4m 提升至6m 以上，施工效率提高50%，取得了比较理想的效果，达到了预期目的。在同类或类似工程条件下，不仅具有良好的经济效益，同时也有良好的社会效益，具有一定的推广价值。