蒙大矿巷道高效快速掘进系统设计与应用

梁云峰，高爱红

(1.中煤西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2.山东邦迈智能科技有限公司，济南 251600)

采掘关系是煤矿生产中的主要矛盾之一。掘进效率低、采掘比例失调成为制约我国煤矿高产高效的瓶颈，也是制约中煤乌审旗蒙大矿业有限责任公司(以下简称蒙大矿)安全高效生产的瓶颈。高效机械化掘进技术、支护技术、连续运输技术是保证矿井实现安全高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向[1-7]。

目前我国巷道掘进的设备种类较多，掘进设备的研发和更新速度日益加快，综合来看目前快速掘进的配套设备主要有综合机械化掘进、连续采煤机高效掘进和掘锚机组掘锚一体化掘进3种。这3种高效掘进设备的后配套形式更是多种多样，常用的配套形式有：①综掘机-桥式转载机-可伸缩带式输送机[8，9]；②连续采煤机-梭车-锚杆机-行走支架-铲车-给料破碎机-可伸缩带式输送机；③掘锚机-连运头车-桥式转载机-自移机尾(可伸缩带式输送机)；④掘锚机-多臂锚杆钻车-可弯曲带式转载机-自移机尾(可伸缩带式输送机)[8]。

目前蒙大矿矿井中所采用的配套方式为掘锚机-连运头车-桥式转载机-自移机尾(可伸缩带式输送机)，该种配套方式最大缺点是桥式转载机与自移机尾搭接行程短，需要频繁沿自移机尾(可伸缩带式输送机)胶带，掘进效率较低，不能满足矿井掘进需求。目前市面上能满足蒙大矿矿井掘进需求的高效快速掘进配套方式有掘锚机-多臂锚杆钻车-可弯曲带式转载机-自移机尾(可伸缩带式输送机)，该种配套方式成本高，设备布置准备巷道较长，搬家倒面费用高，应用于3000m以上巷道掘进时，经济效益高，应用于3000m以下巷道掘进时，经济效益低。综上，山东邦迈智能科技有限公司联合中煤西北能源有限公司共同开发一套适用于蒙大矿生产的高效快速掘进系统。

1 蒙大矿煤层地质条件及巷道规格

开发设计的高效快掘系统将应用于蒙大矿3-1煤层31104回风巷。该巷道用途为31104综采工作面回风及设备运输。巷道总工程量为2722.5m，其中31104回风巷长度为2614.5m，各硐室长度共计108m。

煤层厚度为5.8～6.7m，平均厚度为6.4m，煤层倾角1°～3°，煤层层位稳定，结构简单。煤层中局部含有1～2层夹矸，厚度0.1～0.3m左右，夹矸岩性为砂质泥岩，深灰色及灰色，含植物化石及云母碎屑。巷道底板为粉砂岩和细粒砂岩，岩石的抗压强度平均为40.4MPa，抗剪与抗拉强度则更低，岩石的软化系数绝大部分小于0.75，均为易软化岩石，个别钙质填隙的砂岩抗压强度稍高些。煤层顶岩石以软弱及半坚硬岩石为主，个别为坚硬岩石。

巷道规格为矩形，掘宽：5800mm，掘高：3900mm，巷道掘进面积：22.62m2，净宽：5800mm，净高3700mm，巷道净面积：21.46m2。沿煤层底板掘进。顶锚杆布置：锚杆每排8根，排距900mm，间距为700mm、800mm，端锚杆与巷帮间距为150mm。顶锚索布置：锚索采用“4-2-4-2”模式，即第一排锚索每排4根，排距1800mm，间距1200mm，端锚索与巷帮间距为1100mm。第二排锚索每排2根，排距1800mm，间距1800mm，端锚索与巷帮间距为2000mm。依次交替进行支护。帮锚杆布置：锚杆每排5根，排距900mm，间距为850mm，端锚杆与顶板间距为300mm，底锚杆与底板间距为200mm。

2 高效快速掘进配套系统

根据蒙大矿煤层地质条件及巷道规格，山东邦迈智能科技有限公司联合中煤西北能源有限公司共同开发一套适用于蒙大矿矿井生产的高效快速掘进系统，实现掘、锚、运三位一体，将整体掘进效率提高2.5倍。该高效快速掘进系统实现掘锚平行作业、多台多臂平行支护、破碎和运输平行作业、刮板和胶带连续运输、除尘和通风有机结合、设备远程控制等功能。该系统主要包括掘锚机、液压锚杆钻车(含破碎)、大跨距桥式转载机、履带行走式自移机尾(可伸缩带式输送机)，如图1所示。

图1 高效快速掘进系统配套方案

该高效快速掘进系统的主要技术特征：①掘锚机，实现临时支护和截割同步作业，保证截割稳定性；实现掘锚平行作业，将截割落煤和永久支护由同一设备并行完成；实现伸缩滚筒截割落煤，一次成巷，提高成巷质量；②掘锚机和液压锚杆钻车，实现多台多臂平行支护，采用空间多维度同步支护，将支护时间向支护空间转化，提高支护效率；③液压锚杆钻车，将破碎机有机结合到液压锚杆钻车上，实现破碎与运输平行作业，消除破煤工序；④系统刮板运输机和带式输送机有机搭接，实现连续运输，搭接行程满足圆班进尺要求，保证连续掘进，同时不影响支护设备支护作业；⑤除尘和通风，通过高效除尘器、三幕控尘等技术实现高效掘进粉尘防治；同时通风风筒与系统有机搭接，可随系统及时跟进，满足高瓦斯矿井通风要求；⑥远程控制，基于多机协同控制技术构建中央自动化控制系统，实现工作面设备、子系统联动、集中控制[10]；⑦辅助作业，基于电缆自移动布置和机械化延尾技术，实现配电装置、除尘系统、材料、缆线与设备一体化同步移动，无人值守。

2.1 系统配套设备及参数

该高效快速掘进系统主要配套设备有：EJM270/4-2B型掘锚机和CMM6-23型煤矿用液压锚杆钻车，DZQ100/100/45型大跨距桥式转载机和DWZY1000型履带行走式自移机尾，其技术参数见表1。

表1 系统技术参数

2.2 掘锚机技术特征及参数

EJM270/4-2B型掘锚机主要技术特征有：掘锚一体化技术[11]；全宽截割技术[8]；短距重载刮板运输技术[12]；三幕控尘技术等[13]。掘锚一体化技术既实现掘锚平行作业，同时也实现截割、装载、临时支护、锚杆支护等工序的平行作业。全宽截割技术主要机理是截割滚筒可伸缩，是实现快速截割的关键技术，通过一刀成巷，消除超、欠挖现象，提高巷道成形质量。短距重载刮板运输技术是高效快速掘进连续运输系统关键技术，解决了运量大、换向频繁、搭接灵活等技术要求。三幕控尘技术是掘锚机实现固液气三幕控，掘锚机截割内外喷雾形成水幕，保证煤机司机视线清晰；滚筒后部建立固态挡尘幕，阻挡粉尘扩散；环形侧风管道控尘装置与除尘器负压共同作用，改变压风轴向风流为沿巷壁的旋转风流并使其不断推进至挡尘幕后侧，形成空气幕，将已扩散粉尘压制在迎头形成粉尘池，截割臂上方风箱在粉尘池中近距高效吸尘，粉尘经多级风道由除尘器处理，掘锚机其技术参数见表2。

表2 EJM270/4-2B型掘锚机技术参数

2.3 液压锚杆钻车技术特征及参数

CMM6-23型煤矿用液压锚杆钻车主要技术特征有：短距重载刮板运输技术；破碎部集成技术；多臂锚护技术；远程控制技术等，其技术参数见表3。

表3 CMM6-23型煤矿用液压锚杆钻车技术

2.4 大跨距桥式转载机技术特征及参数

DZQ100/100/45型大跨距桥式转载机主要技术特征有：大跨距悬臂转运技术；高强度刚性架集成技术；斜拉索与配重平衡技术；刚性架运行减震技术等，其技术参数见表4。

表4 DZQ100/100/45型大跨距桥式转载机技术参数

2.5 履带行走式自移机尾技术特征及参数

DWZY1000型履带行走式自移机尾主要技术特征有：刮板式履带牵引技术；电缆、管线智能管理技术等，其技术参数见表5。

表5 DWZY1000型履带行走式自移机尾技术参数

3 施工工艺[14-16]

巷道采用掘锚机一次成巷的掘进方法，掘进与支护平行作业，掘进工作面煤炭的破、落、装、运及巷道的支护均由掘锚机和后配套设备来完成。

3.1 掘进工艺

掘锚机掘进过程中首先将截割头调整至巷道顶板，即升刀；扫去上一刀预留的200mm左右煤皮圆弧段，即扫顶；将截割头向前切入煤体1000mm，即进刀；然后由上向下切入煤体，即割煤；当截割头割到煤层底板时，掘锚机截割部向后退1000mm左右，拉底煤使巷道底平整，装完余煤，即拉底；即为一个循环。完成1000mm的掘进后，将截割头与铲板放在最底，等待支护完后进行下一循环割煤。

3.2 运煤工艺

掘锚机截割时，煤落入铲板内，由装在铲板上连续运转的耙爪将煤装入掘锚机的刮板输送机，掘锚机的刮板输送机再将煤转运到液压锚杆钻车受料斗内。通过液压锚杆钻车破碎结构破碎后，再由液压锚杆钻车的刮板输送机将煤转运到大跨距桥式转载机受料斗内。再由大跨距桥式转载机胶带运输将煤转运到自移机尾及工作面运输巷，再转运至工作面机头硐室遛煤眼，再转运至中央带式运输机大巷，再转运至煤上仓斜巷，最后到达井底煤仓，完成运煤工艺。

3.3 支护工艺

采用掘锚机支护顶、帮锚杆和顶锚索，其他帮锚杆选用液压锚杆钻车支护。

临时支护采用掘锚机自身的液压支撑架和锚杆机的临时支撑架支护。顶锚杆采用掘锚机支护。正(副)帮第一根、第二根锚杆采用掘锚机支护，第三根、第四根、第五根锚杆采用液压锚杆钻车支护。顶锚索采用液压锚杆钻车支护。

4 应用情况

系统于2020年8月15日在蒙大矿3-1煤层，31104回风巷应用。日平均进尺45m，截至到9月30日，共进尺1654m，平均月进尺1100m 。31104回风巷预计两个半月完成掘进任务。

该系统既满足日进尺50m掘进需求，又节约了设备投入成本。目前我国3km以下巷道占总掘进巷道工程量的一大半，该系统推广应用前景良好。

5 结 论

以掘锚机、液压锚杆钻车(含破碎)、大跨距桥式转载机、履带行走式自移机尾(可伸缩带式输送机)组成的高效快速掘进实现了快速掘进、多台多臂平行支护、破碎和运输平行作业、刮板和胶带连续运输、除尘和通风有机结合、设备远程控制。提高巷道掘进效率2.5倍，改变了传统掘进工艺。满足了中煤蒙大矿巷道掘进需求。同时为3km以下巷道掘进工作面提供了可选方案。