曹家滩煤矿智能快速掘锚成套装备应用

王 剑,刘备战，雷亚军，张兴宽

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

目前，我国矿井煤巷主要采用连采机掘进和综掘机掘进2种方式，月进尺仅为500 m左右，掘进装备与工艺整体落后、掘进效率低，使得大断面煤巷掘进速度无法满足大型矿井安全高效开采的需要，生产衔接较为紧张。掘锚一体机能够实现掘支平行作业，提升掘进速度，有效降低工人劳动强度，具有广阔的发展前景[1-2]。为此，曹家滩煤矿引进了中国铁建重工集团研制的智能快速掘锚成套装备，志在解决快速掘进问题。关于快速掘锚装备在煤矿中的应用，孙旭威[3]提出掘锚一体技术将是未来巷道掘进发展的趋势，在提高效率，降低劳动强度，提高锚杆预紧力，降低锚杆支护密度等方面都很有优势。梁小康等[4]提出将现有桥式转载机更换为自移式机尾，能随掘锚机向前推移，生产过程中不需要延长机尾，可实现连续掘进施工。董庆等[5]提出通过优化支护参数，降低支护成本，提高巷道掘进速度，实现回采的安全、快速、经济。宋作文等[6]提出通过优化工艺流程、调整支护参数可以有效提高掘进工作面的掘进进尺和全员工效。曹家滩煤矿122109综采工作面布置4条巷道，122109外回风顺槽，位于矿井2-2煤层12盘区，煤层底板标高+957～+972 m，沿煤层底板掘进，掘进断面为矩形，断面尺寸为5.6 m×4.45 m(宽×高)，设计掘进长度6 004 m，煤层近水平结构简单，无大的褶曲、断层和岩浆活动，属于稳定性煤层。通过智能快速掘锚成套装备的应用，以期解决矿井采掘接替问题，为同类型矿井智能化改造升级提供参考依据。

1 智能快速掘锚成套装备概述

1.1 装备组成

曹家滩煤矿引进的智能快速掘锚成套装备是由中国铁建重工集团生产，以国产掘锚一体机为龙头，配套锚杆台车、矿用带式转载机等新型快掘快支成套设备，是国内首套智能快速掘锚成套设备[7]。该装备由1台掘锚一体机、2台液压锚杆台车和1台带式转载机组成，主机总长35.7 m，有效转载距离60 m，既能截煤装运，又可锚杆支护，机组单个掘进循环进尺1 m，可一次完成10个顶锚杆、6个帮锚杆和2个顶锚索全机械化作业，实现复杂地质条件下煤矿巷道大断面一次截割成型和全断面机械化支护，设计掘进速度1 500 m/月，比传统的悬臂式掘进机施工速度提高了3倍以上。

1.2 EJM270/4-2掘锚一体机

EJM270/4-2掘锚一体机主要是为煤矿综采工作面巷道掘锚服务的机械设备，主要适用于煤及半煤岩巷的掘进。该机可切割单向抗压强度≤80 MPa的煤岩，可掘巷道最大宽度6.5 m，最大高度4.45 m，巷道断面一次成型，形状为矩形，适应巷道坡度±6°。

1.3 液压锚杆台车

液压锚杆台车由CMM001型锚杆钻车和CMM002型锚杆钻车组成。CMM001型锚杆钻车配备3台顶锚杆机、4台帮锚杆机；CMM002型锚杆钻车配备3台顶锚(索)杆机、2台帮锚杆机，锚杆、锚索机支护范围大，可覆盖顶板和侧帮的支护。

1.4 DZQ100/130/55型带式转载机

DZQ100/130/55型带式转载机是一种桥形带式输送机，主要由皮带机头部、皮带机尾部、桥架总成、液压系统及润滑系统组成。该机适用于直巷掘进，巷道宽度大于4.5 m，坡度小于6°，可以左右摆偏±3°。布置于掘锚机组和带式输送机之间，与二者配套使用可实现掘进、锚护、物料破碎和输送的机械化连续作业，大大提高了掘进速率和安全性。

2 应用情况

2.1 应用效果

曹家滩煤矿于2019年5月中旬引进一套由铁建重工制造的智能快掘成套设备后，至2019年12月底已累计掘进巷道9 760 m，月平均进尺1 501.5 m。区队实行“三八制”，两个生产班和一个检修班，早班半班检修半班生产，中班、夜班全力生产，每个生产班组配备20人，检修班配备15人，机组全员最高工效可达1.51 m/人·d。在此之前，曹家滩煤矿掘进区采用悬臂式综掘机和连采机进行巷道掘进，使用托梁器托钢梁进行临时支护，支护费时费力，人员劳动强度大，工作效率低，作业环境差，单巷掘进悬臂式综掘机月平均进尺382.5 m，连采机月平均进尺746.3 m。采用智能快速掘锚成套装备后，掘进速度大幅提升，人员劳动强度降低，作业环境得到初步改善，掘进速度是综掘机的3.92倍，是连采机的2.01倍，进尺优势明显，且还有进一步提升的空间，但问题显现也特别明显，支护参数的不配套以及电路、液压系统故障时有发生[8-10]，需要进一步整改完善，采取整改措施后单月进尺突破2 020 m，刷新了曹家滩煤矿进尺纪录。

2.2 常见问题及处理措施

2.2.1 截割滚筒不工作

截割滚筒空载正常，截割时不工作。这种情况一般为过热、断相、过载过流、漏电闭锁等故障中的一种，可以查看电子显示器故障信息提示。对于过热故障，应排查水路系统问题，逐项排查供水压力、喷雾压力、供水流量、喷嘴等各部分情况，找出故障原因[11-12]。对于断相故障，则应排查电缆破损情况及供电缺相等；对于过载过流故障，应排查岩石硬度、进刀深度、滚筒牵引速度等参数是否合理，并检查截齿缺损情况；对于漏电闭锁故障，应检查电路绝缘情况及绝缘电阻是否达标。

2.2.2 铲板及刮板

铲板无法抬起：查看铲板升降油缸回路故障，查看输送滑槽损坏情况。

刮板链不运行：查看是否存在煤岩异物导致卡链，查看装运电机是否正常工作及扭矩轴是否断裂。

刮板链断链：查看刮板链张紧量，并检查是否存在张紧油缸自卸现象。检查是否有链条节距不等和过度磨损，查看链轮中是否卡住岩石或异物。

2.2.3 支护问题

临时支护无法上升：查看油缸溢流阀压力是否不足或溢流阀损坏，检查临时支护油缸漏油或损坏情况。若临时支护油缸损坏，应排查是铲板变形与临时支护油缸干涉还是钻架与临时支护油缸干涉，及时作出补救；查看是否有销轴脱出或丢失。

钻臂距离不合适：顶锚钻臂左右滑移距离太小，无法满足现顶锚设计间距1 m，倾斜支护造成部分顶锚杆不能垂直煤壁进行支护。帮锚钻臂滑道太短，需更换两次钻杆才能完成一根锚杆的打眼工序。钻机由固定式改为滑移式，增加了钻机支护范围且移动操作更方便。

顶帮锚杆支护参数不恰当：由于曹家滩122109外回风顺槽巷道支护量大，2号锚杆钻机本身设计的局限性，所以在支护未完成的情况下，将无法掘进，导致支护速度限制掘进速度，不能达到完全同步，顶帮锚杆支护参数不恰当影响掘进与支护的同步进行。

2.3 支护参数优化

2.3.1 外回顺槽初始支护方案

122109外回顺槽初始支护方案中，顶板采用6 000 mm×1 100 mm钢筋网+φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆+φ17.8 mm×6 500 mm锚索联合支护。顶锚间距×排距为1 000 mm×1 000 mm，每排支护6根锚杆。锚索间距×排距为2 000 mm×3 000 mm。帮锚间距×排距为1 000 mm×1 000 mm，巷道煤柱侧采用φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆+塑料网联合支护，巷道非煤柱侧采用φ20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆支护。

2.3.2 锚杆锚索参数计算

由于大跨度巷道的特殊性，传统的计算巷道顶板破坏范围的方法与实际情况不符合。将矩形巷道等效成一个扁椭圆，通过分析扁椭圆的塑性区情况确定矩形巷道顶板的破坏范围，这种方法更接近于矩形巷道的实际情况。采用等效法进行锚杆、锚索参数计算。假设矩形巷道的宽为2a，高为2b,则取等效的椭圆长轴为1.25a，短轴为1.7b，具体如图1所示。在回风顺槽巷道中取最大断面来计算，其巷宽5.6 m，巷高4.45 m，因此顶帮松动范围计算见式(1)、式(2)。

图1 巷道截面示意

H=0.55b=0.55×2.225=1.222 4 m

(1)

I=0.25a=0.25×2.8=0.7 m

(2)

式中，H为顶板松动范围，m；b为巷道开掘高度之半，取2.225 m；I为巷道两帮松动范围，m；a为巷道开掘宽度之半，取2.8 m。

2.3.3 布置优化

为了掘进与支护实现同步，以“以掘定支、掘支并行”为目标，对顶帮锚杆安设布置时空进行优化。

顶锚杆：优化为φ22 mm×2 400 mm的BHRB335号左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1 250 mm×1 000 mm，每排5根锚杆，减量提质。

顶锚索：φ17.8 mm×6 250 mm的钢绞线，锚索孔深6 000 mm。孔深6 m为1.2 m钻杆长度的整数倍，减少装卸钻杆次数。

帮锚杆：优化为φ22 mm×2 200 mm的GQN60型高强抗扭玻璃钢锚杆及配套托盘螺母，托盘为塔型托盘，防止玻璃钢锚杆自动退丝和托盘碎裂。

钻杆：锚杆孔钻杆装备两套(一根一套，两根组合一套，不接、卸钻杆)，锚索钻杆优化为1.2 m一根，减少接、卸次数。

施工角度：煤柱帮最上部锚杆带15°上仰角施工，顶锚杆两侧锚杆带15°外扎角施工，控制肩角。

3 结语

智能快速掘锚成套装备在曹家滩煤矿大断面煤巷快速掘进过程中，实现了掘支同步，降低了劳动强度，提高了支护效率和安全性，月平均进尺1 501.5 m，实现了倍数式增长，超额完成了厂家设计掘进能力，但是机组故障频发，现场掘进速度慢，一定程度上影响了掘锚一体机的正常运行。通过改进机组和优化支护参数，加强组织施工和现场管理，从而最大程度的发挥智能快速掘锚成套装备各个设备的性能，单月进尺突破2 020 m，实现了煤矿安全高效快速掘进。