黄陵二号煤矿快速掘进系统的应用

易瑞强

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

黄陵矿业公司隶属于陕西煤业化工集团，矿区地处鄂尔多斯盆地南沿，主采煤层埋深大、瓦斯高、片帮、底鼓严重。作为我国煤矿智能化开采的先行者，其所属的4个矿井6个综采工作面已全部实现智能化开采，但巷道掘进依然采用“综掘机+单体锚杆钻机”的作业方式，月均进尺仅270 m左右，掘进工作面人员密集、劳动强度大，严重制约黄陵矿业公司安全高效生产。2018年起，黄陵矿业公司与中国煤炭科工集团太原研究院有限公司合作，践行“机械化换人，自动化减人”总体要求，对掘进工艺、成套掘进装备和劳动组织等进行深度研究，成功研制了适用于中等复杂地质条件的快速掘进系统，大幅度提升了掘进设备系统化、自动化水平，单队掘进综合效率提高1倍以上。

1 黄陵快速掘进系统

1.1 系统构成

黄陵快速掘进系统主要包括低比压型掘锚一体机、锚杆转载机、可弯曲胶带机、迈步式自移机尾，集成除尘、供电、控制通讯等子系统，如图1所示。系统内各设备、子系统协同联动，一体化完成割煤、装煤、破煤、运煤、支护、除尘等工序。低比压型掘锚一体机全宽截割，机载6台钻机；锚杆转载机破碎均匀转载，机载6台钻机；可弯曲胶带机和迈步式自移机尾组成柔性连续运输系统，完成截割落煤的连续转载。系统总体参数见表1。

1-掘锚综合机组；2-锚杆转载机；3-可弯曲胶带机；4-迈步式自移机尾；5-除尘系统

表1 快速掘进系统总参数

1.2 技术特点

黄陵快速掘进系统基于大断面高效快速掘进系统，结合黄陵矿区的特定地质条件开发。该系统首次实现中等复杂地质条件下煤巷掘进的掘、支、运一体化平行作业，掘进效率成倍提高；采用宽履带、轻量化技术，将掘锚一体机的接地比压由0.27 MPa降低至0.2 MPa，采用交流变频电牵引技术，实现快响应、高扭矩启动，提高了掘锚一体机对松软底板的适应性。同时，研发煤矿用全自动锚索钻机，实现锚索钻机钻杆储存、接杆、钻孔、拆杆工艺的全流程自动化。集成远程健康诊断系统，实现成套装备按需维护和保养。

2 工作面概况

2.1 地质构造

工业试验在黄陵二号煤矿303胶带巷实施，该掘进工作面属于矿井三盘区，位于黄陵县双龙镇西北方向约3 km的西峪村内，303胶带巷位于黄陵矿区西部，工作面中部发育有一向斜构造，轴向正北，前期勘探未见断裂构造及其他影响采掘活动的地质构造发育。

2.2 煤层及围岩

303胶带巷内2号煤为黑色块状，弱沥青光泽，层状构造，条带状结构，内生裂隙发育，煤层厚度2.8～5.75 m，平均厚度4.2 m，厚度变化较稳定，煤层近水平发育，倾角为0°～4°，平均为1°，煤层普氏硬度f为2～3。煤层下部有0～1层夹矸，夹矸普氏硬度f为3～5。煤层以暗煤为主，亮煤次之，丝炭少量，属半暗型煤，自然发火期55 d，煤尘具有爆炸性。煤层顶底板情况见表2。该工作面顺槽掘进时正常涌水量为3～5 m3/h，最大涌水量为20 m3/h，瓦斯含量0.33～0.90 m3/t，平均0.54 m3/t，区域内油型气含量较高，开采煤层的直接顶底板孔隙度低，不利于煤层气逸散。

表2 煤层顶底板情况

2.3 巷道设计

303胶带巷设计参数：宽度5.4 m，高度3.8 m，断面面积20.52 m2，掘锚一体机沿巷道设计中心及煤层顶板进行掘进作业。

顶部支护：①锚杆布置。顶部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆并配合圆钢托梁进行支护，钢筋托梁由φ16 mm圆钢加工，长度5 000 mm，一梁六孔，每根圆钢托梁施工6根锚杆，平均分布，靠帮处锚杆与顶板呈75°施工，其余锚杆垂直于巷道顶板施工，锚杆间排距为970 mm×1 000 mm，锚固方式采用树脂端部锚固，每根锚杆使用一卷MSK2335和两卷MSZ2360树脂药卷，并压金属托盘，规格为150 mm×150 mm×12 mm。②锚索布置。锚索使用φ21.8 mm×7 300 mm十九芯钢绞线，结合T140钢带施工，每根钢带施工4根，靠帮处顶锚索与顶板呈75°施工，其余锚索均垂直于巷道顶板施工。T140钢带“一梁四孔”，长5 000 mm，锚索间排距1 600 mm×2 000 mm，锚固方式采用树脂端部锚固，每根锚索使用1卷MSK2850和3卷MSZ2850树脂药卷，并压金属托盘，规格为80 mm×80 mm×10 mm。

帮部支护：采面侧帮部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆支护，每排施工4根，锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，上部第1根锚杆距离顶板300 mm。锚固方式采用树脂端部锚固，每根锚杆使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360树脂药卷，并压金属托盘，规格为200 mm×200 mm×12 mm。煤柱侧帮部采用φ22 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆支护，每排施工5根，锚杆间排距750 mm×1 000 mm，靠近顶板帮锚杆距顶300 mm。锚固方式采用树脂端部锚固，每根锚杆使用1卷MSK2335和1卷MSZ2360树脂药卷，并压金属托盘，规格为200 mm×200 mm×12 mm。

3 掘进工艺及应用效果

3.1 掘进工艺

掘支运一体化作业：①作业方式。掘锚一体机采用全宽滚筒截割，一次掘全矿，掘进的同时，系统所搭载的12台钻机同步支护，掘锚一体机刮板机、锚杆转载机刮板机和柔性连续运输系统同步转载，将迎头截割落煤转载到顺槽胶带。②作业关键。掘支运一体化作业实效高效的关键在锚杆、锚索支护效率[1-3]，系统改变传统的迎头支护模式，根据巷道围岩条件和支护强度，综合分析计算，以空间换时间，利用多排多臂支护工艺实现巷道锚杆支护的空间布局，支护作业由掘锚一体机和锚杆转载机在空间不同工位完成，提高支护效率[4-7]。③任务分工。正常情况下，2人操作掘锚一体机前排机载的4台顶锚钻机完成顶板6根锚杆支护，2人操作掘锚一体机上2台帮钻机完成巷帮第一、二排帮锚杆支护(铺设帮部金属网/塑料网)，2人操作锚杆转载机上4台钻机完成顶板4根锚索支护，2人使用锚杆转载机完成第三、四排帮锚杆支护，如图2所示。当顶板破碎时，由掘锚一体机上2人隔排使用掘锚一体机完成2根顶锚索支护，其余由锚杆转载机补支护。

图2 支护任务分工

瓦斯钻场施工：掘锚一体机正巷掘进至钻场位置，侧偏开掘瓦斯钻场，完成支护后，回归正巷掘进；前探钻机行走至钻场进行探孔作业，实现掘进与钻探平行作业。综合掘进推进速度、前探钻进速度、瓦斯抽放孔数量[8-13]，确定瓦斯钻场间距为80 m，最大程度匹配掘、探工艺。

3.2 应用效果

劳动组织：快速掘进系统所在的303胶带巷采用“三八制”作业。共计3个班组(检修班、生产一班、生产二班)，检修班负责检修及准备工作，两个生产班分别为四点班和零点班负责掘进。检修班固定为8点班，其他两个生产班每15 d进行一次倒班，各班必要生产人员配置见表3。

表3 生产人员配置

掘进进尺：2019年2月，快速掘进系统在黄陵二号煤矿303胶带巷工作面安装调试，3月开始工业性试验，至9月份结束试验，共历时7个月。其中3～5月份进尺分别为593 m、608.6 m、588.8 m，6月份根据矿区生产接续安排303胶带巷停工，7～9月份分别完成进尺624.7 m、603.5 m、611.7 m，工业性试验期间总进尺3 630.3 m。该期间快速掘进系统进尺统计图如图3所示，除6月份停用外，快速掘进系统在6个月的使用中整体运行平稳，系统可靠性高。

图3 快速掘进系统进尺统计

应用分析：快速掘进系统实现了全宽断面快速掘进、“掘支锚运”平行作业和远距离遥控操作，多排多臂同步支护工艺使支护工序平均时间降低30%，掘支运平行作业时间由不足25%提高至50%，改变了“掘进机+单体锚杆钻机”的传统掘进工艺，与传统综掘(270 m/月)相比，掘进速度提高1倍以上。

4 结语

黄陵快速掘进系统的实践，是以掘锚一体机为龙头的快速掘进系统的新创新和发展，成功的在中等复杂地质条件下实现了煤巷的高效快速掘进。该系统有效提升了快速掘进系统的适应性，为同类煤矿掘进技术的升级换代提供了有益尝试，为煤矿高效安全生产提供科技支撑。