復雜地質條件下掘錨一體掘進工作面技術研究

0工作面高效開采的難點中國煤炭資源豐富，采井隊開采煤礦占90%。為了形成完整的生產、通風、輔助運輸等系統，每年建設1500m新井。這是一個巨大的問題，往往是由于開采的長期困難。掘進工作面人員密集，安全性較差，沖擊地壓等動力災害顯現往往導致巷道斷面急劇收縮，甚至閉合，造成人員群死群傷，嚴重制約了礦井的安全高效生產。近年來，快速掘進理論及設備取得了一定進展，掘進效率及安全水平得到了顯著提高，但相比于回采工作面，掘進工作面整體效率及安全性偏低，成為制約煤礦安全高效開采的關鍵因素之一。本文以孟村煤礦快速掘進工作面為工程背景，介紹掘錨一體機工藝流程，通過設備升級達到提高掘進效率及保障安全的目的，實現多工序協同高效運轉。1項目背景1.1運煤通道工作面掘進孟村煤礦位于陜西彬長礦區中西部，主采4401103工作面回風順槽設計長度2032m，在401102工作面運煤通道180m處開口，開口后按方位角270°掘進，坡度為+0.17°～+0.5°，巷道凈寬5.4m，凈高3.5m。試驗區域煤層厚度為23.30～24.18m，煤的視密度1.36t/m1.2道路防護401103工作面回風順槽采用錨網索+鋼帶聯合支護，頂部采用錨桿、錨索支護，幫部采用短錨索支護。(1）和支2支s135型樹脂藥卷頂部錨桿桿體材料采用左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，規格為MSGLW-500/22×2500，間排距700mm×800mm，錨深2450mm，外露長度50mm。每根錨桿使用2支K2335和2支Z2335型樹脂藥卷（或1支K2360和1支Z2360型樹脂藥卷）。錨桿托板均采用Q235鋼，規格150mm×150mm×12mm。錨固力和扭矩分別不小于100kN和300Nm，每排布置8根錨桿。頂部錨索每排布置4根錨索，錨索間排距為1500mm×800mm，錨索規格為φ21.8mm×7100mm，錨深6900mm，外露200mm。每根錨索使用2支K2335和3支Z2335型樹脂藥卷（或2支K2360和2支Z2360型樹脂藥卷）。錨索所用托盤為Q235碟形托盤，規格300mm×300mm×16mm。預緊力不小于200kN。(2）幫部支護錨索和盤料幫部支護采用錨索配合M鋼帶進行支護，每排左幫、右幫各布置2根鋼帶，鋼帶采用上下布置，每根鋼帶打設3根錨索，其中幫部支護錨索規格為φ21.8mm×3500mm，間排距700mm×800mm，錨深3300mm，外露200mm；每根錨索使用1支K2335和2支Z2335型樹脂藥卷（或1支K2360和1支Z2360型樹脂藥卷）；托盤采用GTR-M3鋼帶配套托盤，規格120mm×120mm×10mm。預緊力不小于200kN。2截割巷道側幫快速掘進設備選用EJM2×170掘錨一體機，主要由截割部、鏟板部、運輸機部、行走部、錨桿機部及潤滑系統等組成，為一次性進給設備，用于固定截割巷道寬度，滾筒伸出寬度5.2～6.2m。犁式鏟板收集頭使錨桿機到工作面的距離更近，當滾筒截煤時，可以簡便快速地把煤裝載到輸送機上。截割滾筒每側可縮回400mm，使整機寬度減少800mm，有利于設備的行走和撤回，提高截割轉角煤時的靈活性；同時多電機的模塊化設計提升了日常維護的便捷性，并保障了設備的可動率。EJM2×170掘錨一體機如圖1所示。掘錨一體機（標準機型）技術參數：3挖掘與坍塌綜合的技術(1）截割機參數調整掘錨一體機掘進截煤為全巷寬一次截割，截割循環流程：(1)升刀上掰截割搖桿使截割頭升到設計高度，伸縮截割頭，左（右）扳截割頭搖桿將截割頭伸（縮）至巷道全寬；(2)進刀按下截割啟動鍵使截割電機啟動，截割滾筒旋轉，掃去上一刀預留的200mm左右煤體圓弧段，將截割頭向前切入煤體800mm;(3)截煤由上向下切入煤體，直至底板；(4)藏刀向前移動掘錨一體機，將截割頭深入迎頭煤壁。與綜掘機相比，掘錨一體機掘進效率大幅提升。掘錨一體機截割示意圖及綜掘機截割軌跡圖分別如圖2、圖3所示。(2）煤體剝離、整理掘錨一體機掘進截煤過程中，可實現掘進、運輸、支護等工序平行作業，通過截割部將煤體進行剝離，截深0.8m；鏟板部取消了裝載耙爪，使得空頂距大大縮小，剝離后的煤體經短鏟板由一運輸送到二運上，最后轉運到帶式輸送機上；巷道支護由機載錨桿部完成，其中頂錨機及幫錨機分別負責頂部及幫部的支護施工，從而實現掘、運、支一體化。4錨桿索支護效果(1）施工效率掘錨一體機于2020年底投入使用，截至2021年4月，掘錨一體機共掘進760m，最大進尺超9m/d，月進尺達216m，較綜掘工藝掘進效率提升50%以上，單個錨桿（索）支護效率提升60%以上。(2）煤體應力依據401103回風順槽鉆孔應力計進行的煤體應力監測，煤體應力情況如圖4所示，煤體應力處于較低水平。(3）錨桿（索）工作載荷測區錨桿（索）工作載荷如圖5所示，最小受力86kN，最大受力168kN，平均受力122kN，表明測區錨桿（索）處于較好的工作狀態，巷道圍巖支護效果良好。使用掘錨一體機進行煤巷掘進后，施工效率得到大幅提升，煤體應力處于較低水平，錨桿（索）受力狀態