煤矿快速掘进装备拐弯开口技术应用与研究

张士魁 田 宝

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 德州 251100）

随着科技进步，煤矿机械化、自动化以及智能化浪潮冲击着煤矿这个老传统行业，安全、高效、绿色的要求给煤矿施加重重压力[1-2]。煤矿普遍面临着采掘接替紧张，提高综掘的单进水平成为需要解决的重要课题[3-6]。巷道机掘受矿井地质情况、巷道断面和支护形式及设备本身情况的影响，目前已无法满足快速掘进需求。由于快掘设备较普通综掘设备更长更宽，巷道拐弯难度较大，1113 巷快掘工作面施工到位后，利用快掘设备拐弯施工1113 切巷，为矿井快速机掘探索新思路。

1 概况

1.1 地质概况

巷道位于11 煤一采区，巷道自一采区辅助泄水巷X13 点前16 m 按方位角185°开门施工，东侧为1113 工作面，西侧为1115 工作面（未施工），北侧为一采区辅助泄水巷，南侧贯通一采区轨道巷。1113 巷掘进范围揭露的围岩岩性主要为：11 煤为块状～粉末状，以亮煤为主，含少量镜煤、暗煤条带及微量丝炭，为半亮～半暗型煤，条带结构，层状构造，煤的无机组分以黄铁矿为主，次为粘土矿物和石英。煤层平均厚度2.02 m，煤层硬度系数f 为2～4，煤层层理与节理发育程度简单。煤层顶底板情况见表1。

根据工作面相邻1111 巷掘进期间实际揭露的资料分析，沿掘进方向工作面前800 m 煤层整体呈1°～6°下山，800～1100 m 整体呈1°～2°上山，后600 m 整体呈3°～8°下山。1113 巷前800 m 掘进过程中揭露构造的可能性较小。

1.2 煤巷综掘机直角拐弯开口设计

巷道在拐弯开口前，根据工作面实际情况，制定施工方案，根据综掘机（快速掘进装备）设备尺寸参数、巷道的宽度、开口方位位置及开口角度，拿出综掘机（快速掘进装备）拐弯开口施工曲线设计图及锚杆锚索布置支护设计图，并制定相应支护设计。以A 段巷道向B 段巷道拐弯为例，综掘机（快速掘进装备）拐弯开口设计中包含综掘机（快速掘进装备）拐弯开口跨度设计以及综掘机拐弯开口期间A、B 两条巷道支护设计，如图1。

图1 快速掘进装备拐弯示意图（mm）

综掘机拐弯开口剩余10～15 m 前，需缩小A段巷道锚杆、锚索排距（在原基础上缩小100～200 mm），调整锚索支护形式并加密锚索，以加强综掘机拐弯开口期间A 段巷道的顶板管理。A 段巷道掘进至B 段巷道设计拐弯开口位置时，要变更B 段巷道开口处帮部支护情况，将高强锚杆、菱形网变为塑料锚杆及塑料网，便于综掘机拐弯开口期间快速截割。综掘机拐弯开口施工B 段巷道时，必须严格执行短掘短支，掘进一排、永久支护一排，同时缩小B 段巷道锚杆、锚索排距（在原基础上缩小100～200 mm），并根据拐弯开口跨度情况合理布置锚索，以加强B 段巷道拐弯开口期间顶板管理。

2 工程实例

2.1 理论计算

通过理论计算，综掘机直角拐弯开口需要满足综掘机机身中心线与现有巷道呈45°夹角时，综掘机机身前后两点间距应为综掘机拐弯的最小距离，如图2。

图2 综掘机拐弯开口跨度计算示意图（m）

两条巷道的拐角点必须过综掘机机身的中点，根据以上两个基本条件初步计算出拐弯开口位置，同时考虑综掘机最宽部分（铲板）宽度的一半，计算出实际的拐弯开口位置。

2.2 快速掘进设备参数

EJM270/4-2 掘锚一体机（1#机）外形尺寸：长×宽×高=11.9 m×4.6 m×3.1 m（机身前4 m 设备宽4.6 m，后3 m设备宽3.5 m）。截割滚筒宽4.9～5.4 m，两侧伸缩长度0.25 m；铲板宽度4.5～5.4 m，两侧伸缩长度0.45 m。刮板输送机溜头长3 m，左右摆动夹角为45°。CMM5-20煤矿用液压锚杆钻车（2#机）外形尺寸：长×宽×高=11.9 m×4.4 m×3.1 m。

2.3 快速掘进装备拐弯前准备工作

根据掘锚一体机设备外形尺寸与EBZ-260 综掘机外形尺寸相比，掘锚一体机比综掘机长1.3 m、宽1.1 m，考虑其拐弯半径，前期需要准备工作：A段施工到位后，将掘锚一体机退后20 m 对右帮进行刷宽0.7 m 形成吊装硐室，巷宽由5.4 m 增加为6.1 m；1#、2#机分家运输，2#机紧靠A 段右帮，1#机拐弯刷扩时2#机做好接煤工作，自移机尾紧跟2#机运输。

2.4 快速掘进装备拐弯施工工艺

将掘锚一体机、锚杆钻车、桥式转载机分家→掘锚一体机配合锚杆钻车进行拐弯并摆正→将锚杆钻车、自移机尾开至A 段末端→安装40T 溜子与锚杆钻车进行搭接→40T 溜子运输掘进40 m →拆40T 溜子→安装电磁滚筒皮带→施工B 段到位。

2.5 快速掘进装备拐弯设计及拐弯方法

由于掘锚一体机截割臂无法左右摆动，只能通过调整掘锚一体机机身以“剃头”方式进行刷扩，利用截割滚筒两侧伸缩滚筒进行进刀。考虑拐弯跨度增大，顶板支护困难，从安全角度考虑，掘锚一体机拐弯最大跨度按13.8 m 进行设计。

（1）拐弯曲线参数。先将掘锚一体机退后13.8 m，对巷道左帮刷扩开口，如图3。在A 段及B 段口各安一组中线（中线左为0.8 m），根据原A段内中线来确定拐弯期间的弧度（中线距左帮的距离）。拐弯期间排距0.9 m 进行施工，即第一排跨度1.2 m，第二排跨度1.5 m，第三排跨度1.9 m，第四排跨度2.3 m，第五排跨度2.7 m，第六排跨度3.1 m，第七排跨度3.8 m，第八排跨度4.5 m，第九排跨度5.8 m，第10 排跨度6.3 m。拐弯开口施工作业6 m 后，巷道支护参数按照B 段支护设计稳步施工。

图3 拐弯曲线示意图（mm）

（2）掘锚一体机拐弯施工方法。掘锚一体机从A 段向左拐弯时，先将掘锚一体机退后至距B 段右帮13.8 m 处，而后采用掘锚一体机截割滚筒对左帮刷扩拐弯开口，将滚筒缩至4.9 m 摆动机身使左侧滚筒紧贴煤壁，启动滚筒后利用滚筒伸缩部分（0.25 m）进刀，进刀后上下摆动截割臂进行成巷，随后采用“剃头”方式向前移动机身并伸出大臂进行刷扩达规定宽度。期间及时核对中线确保跨度符合要求，拐弯跨度达不到掘锚一体机拐弯要求、掘锚一体机不能继续向前刷扩时，采用人工使用风镐对拐弯刷扩区域进行局部刷扩，或者将掘锚一体机退至进刀位置摆动机身重新“剃头”达到要求，直到满足掘锚一体机拐弯刷扩要求时，再进行拐弯刷扩。如图4。

图4 拐弯示意图（mm）

掘锚一体机拐弯时，锚索要按照巷道跨度和原有锚索疏密分布进行布置。随着掘锚一体机的施工，在1113 切巷开口处施工第一组锚杆锚索18 根（锚杆7 根、锚索7 根），间距850（800）mm，距原巷道左帮第一根锚杆500 mm；在距第一组锚杆锚索0.9 m 处施工第二组锚杆（14 根）；在距第二组锚杆0.9 m 处施工第三组锚杆锚索11 根（5 根锚索、6 根锚杆）；在距第三组锚杆锚索0.9 m 处施工第四组锚杆（9 根）；再继续以0.9 m 排距施工两组锚杆锚索后，巷道内锚杆锚索按照设计进行施工。如图5。

图5 拐弯锚索布置示意图（mm）

2.6 其他

（1）由于1113 巷拐弯区间段倾角6°，左低右高，且滚筒为横向，导致左帮开口刷扩期间破坏原支护。为不破坏原支护（重点为锚索），现场拐弯期间顶板留有0.3～0.4 m 泥岩需要人工刷扩。

（2）拐弯刷扩期间，对切巷老山侧刷扩时，由于滚筒为横向截割，导致老山跨度达不到掘锚一体机拐弯要求，需要人工使用风镐对老山侧局部三角区域进行刷扩，直到满足切巷宽度。

3 应用效果

（1）工作面成型规整。综掘机、掘锚一体机拐弯开口巷道一次成型，提高了质量标准化水平。

（2）施工工序相对简单。综掘机、掘锚一体机直接开口，简化了掘进工艺，降低了劳动强度及生产材料消耗，取代炮掘人工开口拐弯难度，提高安全系数，有利于煤矿的安全管理。

（3）大幅提高生产效率。巷道拐弯开口机械化的实现，利用综掘机及掘锚一体机实现拐弯开口再配合40T 溜子出矸，割煤装煤一体作业，减少人工出渣劳动强度，生产效率提高幅度大。