罗贤虎
(霍州煤电集团三交河煤矿安全科 ,山西 霍州 041600)
随着国家对煤矿行业的不断整改,我国煤炭企业都向大型现代化矿井转变。原有的煤矿设备在掘进巷道及回采巷道过程中,不断进行改进,以达到煤矿提倡的安全高效开采的目标。我国现阶段巷道掘进时,采用的掘进机+锚杆钻机存掘进效率低、辅助时间长、人力劳动较大等诸多问题。
某煤矿为加快巷道掘进速度,减少辅助作业时间,提高井下工作效率,采用掘锚一体机进行巷道掘进作业。本文以此为研究背景,研究了掘锚一体机在复杂地质情况下矿井的适用性及应用效果,对掘锚一体机在相同条件矿井下的应用具有借鉴意义。
某煤矿为大型现代化矿井,现主采3号煤层,3号煤层底板标高为+512m~+582m,地面标高为+912m~928m,巷道埋深400m左右。本次试验巷道为s6-8运输顺槽,巷道沿3号煤层底板掘进,巷道断面尺寸为5.2m×3.5m,断面积为18.2m2,运输顺槽设计掘进长度为1600m。本次试验巷道s6-8运输顺槽平面布置图如图1所示,。
图1 试验巷道s6-8运输顺槽平面布置图
通过收集该工作面顺槽周边临近的地质钻孔,根据钻孔数据确定,该工作面3号煤层厚度为5.75m~5.88m,平均厚度为5.8m,其中含有一层0.3m左右的夹矸。巷道顶板为厚度3.4m的粉砂岩老顶,厚度2.3m的泥岩直接顶,底板为厚度1.2m的泥岩直接底,厚度1.8m的细砂岩老底。为加快巷道掘进速度,减少辅助作业时间,提高井下工作效率,该矿采用掘锚一体机进行巷道掘进作业。
通过调研及查阅资料发现,掘锚一体机在我国许多矿区得以应用。在地质条件较好的矿区应用广泛,且效果突出。在地质条件复杂的矿区,还未取得突破性的研究成果,使得其可以被广泛推广。实际应用时,需针对矿井实际地质情况,对掘锚一体机进行优化改造。
本次试验巷道为s6-8运输顺槽所在矿区煤层赋存条件复杂,高地应力、围岩岩性软弱、顶板压力大、瓦斯含量高。因此,该矿区采用掘锚一体机进行巷道掘进作业时,需要根据该矿区的实际巷道掘进条件,对掘锚机进行相应的改进,以达到提高巷道掘进速度的目的。
2.2.1 临时液压顶篷改造优化
由于试验巷道地质条件复杂,巷道掘进迎头空顶区在掘进时,保持自稳时间较短,而掘锚一体机自身的临时液压顶篷有效的支护面积较短,无法有效支护空顶区煤层,极易发生冒顶等事故。因此,为了保障掘进施工安全作业,本次应用对掘锚一体机的临时支护装置进行了改进。改进措施如下:将掘锚机顶板支护改造为由千斤顶、临时顶板支护、销子和耳子组成的支护形式。改造后临时顶板支护长度为1500mm,宽度为500mm,相较于原有自带临时顶板支护的面积大了2.6倍。同时,在掘锚一体机上安设两条液压管路,通过液压千斤顶来实现临时顶板支护的顶起和放下。当掘进时,千斤顶可以将顶板支护顶起进行临时支护;当割煤时,可以通过操作将其收回。如下图2所示,为改造优化后的临时液压顶篷俯视图和侧视图,图3所示为掘锚一体机临时支护的现场图。
图2 改造优化后的临时液压顶篷俯视图和侧视图
图3 掘锚一体机临时支护的现场图
2.2.2 阻挡落煤装置的设计
由于该矿巷道围岩较为破碎,掘锚一体机在掘进过程中,可能将迎头煤壁上的煤块崩落下来,导致掘锚机的操作人员受伤。因此,本文设计了一种装置,用以阻挡落煤装置。具体设计如下:在改进优化的液压顶篷下方焊接一方形钢板,钢板截面尺寸为50mm×50mm。在挡矸装置上方加设一方形插销,插销尺寸为40mm×40mm。在掘锚机下端安设圆钢,圆钢长度1.3m,直径38mm。其上设有3个钩子,用以安放木板,木板尺寸为2200 mm×10 mm×200 mm。在掘锚机掘进时,将设计的阻挡落煤装置挂在掘锚机方形槽中,可以阻挡迎头崩落下的煤块。当进行截割时,可取下该装置以备下次使用。,阻挡落煤装置如图4所示。
图4 阻挡落煤装置的示意图
2.2.3 掘锚一体机截割方式及进刀路线改进
改进的掘锚一体机截割方式及进刀路线如下:首先,将掘锚机截割部置于煤壁中间部位,进刀切入煤壁1.0m;然后,从上到下截割下半部分煤体;当截割煤体到巷道底板位置时,截割部退后1.0m,对巷道底板反复拉低,使底板变平整;完成上述工序后,前移掘锚机,对巷道顶板及两帮进行支护;然后,再从上至下截割上半部分煤体;扫除预留的200mm顶板煤皮;进行下一刀割煤时,再重复上述工序。同时,割煤时掉落的煤块,可通过刮板输送机向外运出。如图5所示,为改进的掘锚一体机截割方式及进刀路线示意图。
图5 改进的掘锚一体机截割方式及进刀路线示意图
该矿井于5月28日在安装硐室1.5m处的位置,使用掘锚一体机进行掘进,到9月2日正式掘进完成,巷道施工工期一共为98天。
本次试验巷道应用掘锚机进行掘进,掘进效率对比如图6所示:
图6 掘进效率对比图
巷道掘进效率总结如下:①巷道掘进日进尺由六月份的10.4m/d增加到20.8m/d,平均日进尺可达15.5m/d;②正常掘进一个循环的时间为40分钟,其中割煤时间10分钟,支护时间半小时;③7月份对掘进巷道支护进行了优化,使得掘进速度相较于6月份显著提高;④8月份巷道平均日进尺为20.2m/d,月进尺共计606m,掘进效率显著,掘锚一体机的应用效果较好。
3.2.1 节约成本
通过6月份掘锚一体机在试验巷道的试用,根据现场实际情况及矿压观测,对其巷道掘进支护参数进行了优化改进。原有支护材料每米巷道支护成本费用为3770元,优化后为3140原,每米巷道支护成本可节约630元。试验巷道设计长度为1600m,则全巷支护完毕,可节约成本100万左右。
按人工费计算,原掘进日进尺为10m/d,使用掘锚机后平均日进尺15.5 m/d,每日多进尺5.5m,人工费按每班42元/人,每班人工数14人,则粗略计算人工费用每年节约:5.5m/d×365d×42元/人×14人=118万。
3.2.2 产煤增效
经过合理的组织管理和现场指导,完全掌握掘锚一体机在巷道掘进中的应用,可实现掘锚机月进尺600m以上的掘进水平,相比于综掘机掘进水平可高出300m左右月进尺数。以试验巷道为例,该矿应用掘锚一体机后,一台掘锚机组每年原煤产量比未使用掘锚机时多出9.20万/t,按一吨煤的纯利润为150元计算,则一台掘锚机每年多出的经济效益约为1380万。
以复杂地质条件煤矿应用掘锚一体机进行巷道掘进作业为研究背景,研究了掘锚一体机在复杂地质情况下矿井的适用性及应用效果,主要结论如下:为适应该矿实际地质条件,对掘锚机的临时液压顶篷、阻挡落煤装置和掘锚一体机截割方式及进刀路线进行了改进设计。并通过记录巷道掘进效率进行了掘进效率总结和经济效益分析,确定了掘锚一体机在巷道掘进中的显著应用效果。