快速掘锚成套装备设计及应用研究

司大为

（兖矿能源集团股份有限公司，山东 邹城 273500）

1 工程概况

兖矿能源集团鲍店煤矿位于山东省邹城市境内，核定年生产能力600 万t。井田分为两个水平，现生产-430 m 水平，主采3 层煤（3上、3下），矿井采用带式输送机主运输，轨道辅助运输。7302 综放工作面长2132 m、宽287 m，为全省智能化综放采煤工作面，7302 主运巷采用矩形断面，断面尺寸为6.5 m（宽）×4.55 m（高），煤层硬度f=4，煤层密度1.28～1.30 t/m3。为有效提高煤巷掘进效率，缓解该煤矿的采掘失衡问题，针对鲍店煤矿特殊的地质条件，以7302 主运巷为研究对象，进行了快速掘锚成套装备设计及实践应用研究[1-2]。

2 快速掘锚成套装备及工艺方案设计

针对7302 主运巷特殊地质条件，选用快速掘锚成套装备，其总体结构如图1。该快速掘锚成套装备由掘锚一体机和煤矿用液压锚杆钻车组成，采用履带式行走机构，具备伸缩滚筒上下截割、油缸推进、步进掘进，以及全断面、多工位锚杆（锚索）机械化支护等功能。同时，设备自带安全监测和数据交互系统，并在掘锚一体机上引用数字导向和泡沫除尘技术，其整体技术性能达到国际先进水平。

图1 快速掘锚成套装备总体结构示意图

2.1 掘锚同步设计

快速掘锚成套装备采用掘锚一体机掘进+部分锚杆支护作业，煤矿用液压锚杆钻车完成剩余锚杆、锚索支护作业的施工工艺。掘锚一体机和煤矿用液压锚杆钻车均具有自带动力和独立行走功能，可实现煤巷工作面的连续切割掘进、及时支护和物料的连续运输，能够真正实现掘锚同步。

其具体实现方法是：掘锚一体机前部截割装置通过截割大臂的上下举升和前后滑移实现煤巷工作面的全断面掘进；截割装置后端紧跟2 台顶锚杆钻机和2 台帮锚杆钻机，截割掘进的同时，同步进行支护作业，及时确保煤巷围岩的稳定性；煤矿用液压锚杆钻车配有3 台顶锚杆（锚索）机和2 台帮锚杆机，用于补打顶锚杆、顶锚索和帮锚杆，达到掘锚同步目的。掘进过程中，掘锚一体机上方设置的升降式护盾可临时稳定支撑掘进工作面的煤巷顶板，确保操作人员的安全。该设计理念主要目的是优化单个循环的掘进时间和支护时间，在保证连续作业安全可靠的前提下，实现圈盖和支护协调作业，其优点在于：

（1）对煤巷围岩的扰动小，单个循环掘进作业时设备原地不动，无须住返行走，不会对底板造成二次破坏。

（2）掘进与锚杆支护同步进行，互不干涉，减少了辅助作业时间，煤巷顶板和两帮得到及时支护，从而保证煤巷安全、高效连续掘进。

（3）升降式护盾能够减少空顶距，有效支撑未支护顶板，确保操作人员处在安全的工作环境下作业。

2.2 一次成巷设计

截割装置采用可伸缩式大功率、低转速截割滚筒结构，可掘巷道宽度范围为5.8～6.5 m，高度范围为3.6～4.75 m，成型截面为矩形，巷道断面一次成型。一次成巷的原理是：单个掘进循环周期内，掘锚一体机和煤矿用液压锚杆钻车底盘处于制动状态，截割电机提供动力，通过截割减速机变矩后带动截割滚筒转动切割煤层，截割大臂俯仰实现截割面上下截割，掏槽油缸前后推进实现掘进步进，单次最大进刀1 m，煤巷全断面一次截割成型，扰动小，成型质量高。截割滚筒宽度与巷道设计宽度相匹配，不同的巷道宽度可通过更换截割滚筒伸缩部实现，截脚大臂内置的旋转编码器可根据现场情况实时设定截割高度，实现煤巷高度方向上的智能截割。

2.3 数字导向设计

快速掘锚成套设备在煤巷掘进过程中不可避免地会出现俯仰、横滚和航向3 个维度上的偏差，以致偏离预定轨迹。以惯导技术与传感器测量结合的数字化陀螺仪惯导技术，打破了传统间断式测量方式，在掘进过程中通过构建掘锚一体机状态的三维坐标模型，感知掘锚一体机自身状态，来实现掘锚一体机的自动定位、纠偏、远程遥控和自动监测功能。

数字导向系统主要结构包括惯性光纤陀螺仪、RMSD 自动导向系统软件、无线通信控制盒和工业平板电脑等。其导向原理是：惯性光纤陀螺仪获取车身三维偏移量和绝对三维坐标数据（借助全站仪的初始对准）后导入控制系统内，作为里程推进输人量来控制实际推进轨迹和理想巷道轴线的偏移量，保证巷道掘进进度在设计允许的范围阈值内。

数字化陀螺仪惯导技术可精确控制巷道中线偏移量，偏差精度≤5 cm。其特点及优势是：（1）核心惯性测量单元测量精度和稳定性的提高，从本质上提高了系统性能，在无人工修正的情况下可实现200 m 内连续精度保持。（2）能够自主给出自动导向所需的全部高精度信息，包括设备实时姿态和航向，以及巷道坐标系内的三维平移数据。（3）通过耦合传感器数据，自动修正和补偿履带打滑空转引起的干扰误差。（4）可视化人机交互，操作方式简单，使用门槛低。（5）光学测量辅助校准，进一步提高巷道整体的导向精度。

2.4 泡沫除尘设计

煤巷掘进工作面粉尘主要来自两个方面，一是截割滚筒上的截齿对煤岩压碎和摩擦产生的粉尘，二是煤岩掉落过程中与机械零件和地面碰撞产生的粉尘。与传统的除尘技术相比，泡沫除尘效果更佳。

为改善掘进工作面的工作环境，快速掘锚成套设备定制化研制了高倍数（80～120 倍）泡沫除尘系统。泡沫除尘的工作机理是：发泡剂在泡沫发生器内受气压和水压作用产生泡沫后，通过管路输送到截割装置的专用喷头处，对掘进工作面连续喷洒泡沫降尘。

2.5 安全监测设计

相比于露天煤矿，井工煤矿巷道环境更加恶劣，掘进过程中巷道围岩的工程结构受力、地层压力、有毒有害气体等参数都在不断变化，任何参数值达到极限时，就会产生或大或小的灾害。据统计分析，大多数煤矿安全事故中，除诱发因素外，安全监测设备与预警技术的落后和不完善也是引发安全事故的重要原因。

快速掘锚成套装备配备了一套数字化、智能化、自动化的有害气体监测预警系统。粉尘浓度检测仪、甲烷检测仪、一氧化碳传感器及红外二氧化碳传感器等多种传感器可对主要的有害气体进行实时连续监测和采集，并传输给设备主控制系统，通过井下数字化信息平台与调度室联网，实现数据实时显示、分析、报警和主动制动，以及危险实时预报、排查和处理，并按照《煤矿安全规程》要求，实行“三专两闭锁”，保证作业人员的安全。经验证，气体传感器的稳定性好，抗干扰能力强，监测误差小，报警准确，预测与生产互不干扰，为在安全可靠的生产条件下提高生产效率提供了有力保障。其相关特性见表1。

表1 气体传感器特性

3 效果分析

快速掘锚成套装备及工艺在鲍店煤矿7302 主运巷的应用中取得了显著效果。支护方式采用6 根顶锚杆、根帮锚杆和2 根锚索，该套快速掘锚装备在主运巷累计完成进尺5813 m，最高日进尺92 m，最高月进尺2020 m。该套设备大幅提高了煤巷掘进效率，降低了工人劳动强度，实现了煤巷作业的安全、可靠和高效。

泡沫除尘系统启动之前，回风巷的全尘平均浓度为320.18 mg/m3，呼吸性粉尘平均浓度为112.64 mg/m3；系统启动之后，全尘和呼吸性粉尘平均浓度分别降至74.48 mg/m3和18.88 mg/m3，除尘效率分别达到76.74%和83.24%，降尘效果理想。

4 结语

以鲍店煤矿7302 主运巷为对象，进行了快速掘锚成套装备设计及应用研究，实践效果理想。全尘和呼吸性粉尘除尘效率分别达到76.74%、83.24%，最大日进尺达92 m，最高月进尺达2020 m，大幅度提高了煤巷掘进效率，为同类型煤矿的快速掘进提供实例参考。