趙 偉

（山西天巨重工機(jī)械有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

我國(guó)煤礦90%以上為井工開采、煤礦開采、掘進(jìn)先行，采掘銜接緊張一直是圍繞煤礦高產(chǎn)高效的主要矛盾點(diǎn)，掘進(jìn)效率低、支護(hù)速度慢是絕大多數(shù)礦井面臨的主要難題，因此，探討煤礦掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)工藝，尋求掘進(jìn)支護(hù)高效施工技術(shù)是解決當(dāng)下煤礦快速掘進(jìn)的必經(jīng)之路，對(duì)緩解采掘接替的緊張局面，保證“高產(chǎn)高效”礦井持續(xù)發(fā)展具有重大意義[1]。

1 掘進(jìn)工藝現(xiàn)狀

我國(guó)煤礦現(xiàn)階段采煤工作面機(jī)械化程度較高，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采煤，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)全部能夠?qū)崿F(xiàn)配套組合，并逐步向自動(dòng)化控制領(lǐng)域邁進(jìn)。但縱觀國(guó)內(nèi)掘進(jìn)工作面，機(jī)械化程度還較低，許多礦井的支護(hù)作業(yè)工序還停留在風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)人工作業(yè)階段，導(dǎo)致施工過程中存在以下問題：

1）安全系數(shù)低：空頂空幫作業(yè)、空頂時(shí)間長(zhǎng)、空頂范圍大、支護(hù)范圍小、支護(hù)不及時(shí)。

2）作業(yè)環(huán)境差：粉塵濃度高，易引發(fā)塵肺病；淋水作業(yè)，易引發(fā)風(fēng)濕??；噪聲大，有害于員工身體健康。

3）勞動(dòng)強(qiáng)度大：機(jī)械化程度低，需人工搬運(yùn)鉆機(jī)和支護(hù)材料、搭建平臺(tái)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

4）掘進(jìn)工效低：輔助時(shí)間長(zhǎng)、鉆進(jìn)速度慢、支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、成巷速度慢。

因此，結(jié)合我國(guó)煤礦不同地質(zhì)條件，對(duì)煤礦掘進(jìn)工藝及相關(guān)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究就顯得非常重要，在研究中還需要對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行分析，找出存在的弊端和亟需解決的主要矛盾，逐一進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，最終促進(jìn)巷道掘進(jìn)工作面的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平邁上一個(gè)新臺(tái)階[2]?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)掘進(jìn)工藝主要包括以下幾種：

1）掘進(jìn)機(jī)配套單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)：目前該工藝還占據(jù)掘進(jìn)工藝的主流，多數(shù)礦井也僅將掘進(jìn)作業(yè)中的割、裝、運(yùn)實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化作業(yè)，而支護(hù)工序還停留在使用單體錨桿鉆機(jī)、氣動(dòng)鑿巖機(jī)等人工作業(yè)模式，支護(hù)作業(yè)占用掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)。單體錨桿鉆機(jī)還需要人工搬運(yùn)、搭腳手架，掘進(jìn)效率較低，安全隱患多。

2）掘進(jìn)機(jī)配套液壓錨桿鉆車：煤礦用液壓錨桿鉆車在2003 年左右開始在一些煤礦推廣，起初原晉煤集團(tuán)采用液壓錨桿鉆車作業(yè)較早，開創(chuàng)了錨桿鉆車與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)新工藝的先河，使用錨桿鉆車作業(yè)從極大程度上改善了支護(hù)作業(yè)環(huán)境，在提升作業(yè)效率的同時(shí)大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也保證了安全性。巷道掘進(jìn)的機(jī)械化程度也超過了90%，錨桿鉆車與掘進(jìn)機(jī)的使用是掘進(jìn)工藝的一次重大變革，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)支護(hù)機(jī)械化的空白。近年來(lái)，該工藝逐步在全國(guó)多數(shù)礦井進(jìn)行推廣使用。

3）掘錨一體化掘進(jìn)工藝：該工藝分為兩種模式，其中一種是采用橫軸式滾筒，4 臺(tái)頂錨桿鉆機(jī)呈一條直線布置于滾筒后部，可同時(shí)施工頂板錨桿，幫部錨桿滯后施工，該掘錨機(jī)施工時(shí)受條件限制較多，且空頂距較大（1.5 m），因此，只能適用于頂板平整且煤層走向及地質(zhì)條件較好的礦井，近些年也主要在神華、陜煤等礦井使用；另一種是基于縱軸式掘進(jìn)機(jī)研發(fā)的掘錨機(jī)組，將錨桿鉆機(jī)布置于機(jī)身左右兩側(cè)，掘進(jìn)作業(yè)完成后錨桿鉆機(jī)滑移至截割頭上方左右兩側(cè)，利用錨桿施工鉆臂的360°旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)不同高度、各種角度錨桿錨索的機(jī)械化施工作業(yè)，施工效率及作業(yè)環(huán)境得到了根本性的轉(zhuǎn)變，且縱軸式掘錨機(jī)因鉆臂機(jī)構(gòu)可伸至工作面迎頭，使空頂距大大縮小。針對(duì)一些頂板條件差、構(gòu)造復(fù)雜的工作面，該工藝具有適應(yīng)性廣、支護(hù)速度快、支護(hù)質(zhì)量高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

4）掘進(jìn)機(jī)配套單軌吊錨桿鉆車：該工藝將錨桿鉆車布置于巷道上方，采用單軌吊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)錨桿鉆車的前移與后退。在掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)，錨桿施工鉆臂后退至掘進(jìn)機(jī)的尾部，與掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)互不影響，在截割完成后通過單軌吊驅(qū)動(dòng)錨桿鉆臂至工作面迎頭，并將錨桿鉆臂鎖緊至軌道上，此時(shí)操作錨桿鉆臂便可實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道內(nèi)錨桿錨索的機(jī)械化支護(hù)作業(yè)。該工藝因單軌吊需在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上方前后移動(dòng)，對(duì)巷道高度有最低限制，只適用于高度較高的掘進(jìn)工作面，使用范圍受到一定限制。

2 快速掘進(jìn)工藝研究

通過對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)工藝的分析與研究，并結(jié)合巷道掘進(jìn)中的割、裝、運(yùn)、支四大工序，可以清楚地了解到在煤礦掘進(jìn)過程中割、裝、運(yùn)已全部實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，技術(shù)較成熟且能夠同時(shí)進(jìn)行。制約掘進(jìn)效率的主要工序在錨桿、錨索支護(hù)環(huán)節(jié)，支護(hù)工序占用掘進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)且機(jī)械化程度低，未來(lái)如果要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，必須將支護(hù)工序與截割工序統(tǒng)籌考慮，尋求更加合理的作業(yè)模式，重點(diǎn)要在掘支平行作業(yè)方面尋求更大的突破，使掘進(jìn)環(huán)節(jié)中的割、裝、運(yùn)與錨桿支護(hù)同時(shí)進(jìn)行，從根本上縮短作業(yè)時(shí)間，提升掘進(jìn)效率[3]。通過對(duì)掘進(jìn)現(xiàn)狀分析，并結(jié)合不同地質(zhì)條件，煤礦快速掘進(jìn)工藝有以下幾種形式可以推廣。

2.1 橫軸式掘錨機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組

該工藝適用于地質(zhì)條件較好的礦井，掘錨機(jī)上的4 臺(tái)頂錨桿鉆機(jī)完成前部頂錨桿施工，緊跟其后的錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組一方面完成物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，另一方面通過安裝于其機(jī)身上的3 臺(tái)頂錨桿鉆臂及兩臺(tái)幫錨桿鉆臂完成后續(xù)錨桿及錨索的機(jī)械化作業(yè)，且在施工過程中后部錨桿與前部錨桿可同時(shí)施工，互不影響，掘支同時(shí)施工的作業(yè)模式促進(jìn)了掘進(jìn)效率大幅提升，但該工藝并不適合大范圍推廣，目前在神華、陜煤等條件較好的礦井使用。橫軸式掘錨機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的快掘工藝布置如圖1 所示。

圖1 橫軸式掘錨機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的快掘工藝布置圖

2.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)+滑移式臨時(shí)支護(hù)+跨騎式液壓錨桿鉆車

該工藝通過滑移式臨時(shí)支護(hù)裝置很好地解決了工作面迎頭的支護(hù)問題，掘進(jìn)機(jī)位于滑移式臨時(shí)支護(hù)裝置下完成截割作業(yè)，在截割作業(yè)同時(shí)，位于掘進(jìn)機(jī)后部的跨騎式液壓錨桿鉆車通過安裝4 臺(tái)全方位360°旋轉(zhuǎn)的鉆臂，可實(shí)現(xiàn)頂幫錨桿及錨索的高效便捷施工，施工作業(yè)靈活，掘支可平行施工，作業(yè)效率較現(xiàn)有的掘進(jìn)工藝提升50%左右，且該工藝在地質(zhì)條件選擇方面適應(yīng)性廣，臨時(shí)支護(hù)裝置有滑移式和無(wú)反復(fù)支撐門式兩種形式。目前該工藝正在焦煤集團(tuán)西山煤電下屬礦井推廣應(yīng)用，將來(lái)面對(duì)地質(zhì)條件不太好的礦井都能嘗試該工藝的推行。懸臂式掘進(jìn)機(jī)+滑移式臨時(shí)支護(hù)+跨騎式液壓錨桿鉆車的快掘工藝布置如圖2 所示。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)+滑移式臨時(shí)支護(hù)+跨騎式液壓錨桿鉆車的快掘工藝布置圖

2.3 護(hù)盾式掘錨一體化機(jī)組作業(yè)

以上兩種形式雖然在掘支平行作業(yè)方面有一定的突破，但根據(jù)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)掘支平行處于部分平行或階段平行，未來(lái)煤礦掘進(jìn)工藝如果想在效率提升及作業(yè)環(huán)節(jié)優(yōu)化方面有進(jìn)一步的改善，真正實(shí)現(xiàn)全部平行施工是目標(biāo)，護(hù)盾式掘錨一體化作業(yè)將是發(fā)展方向，將掘進(jìn)環(huán)節(jié)的割、裝、運(yùn)、支全部集成于一臺(tái)裝備上，且能夠很好地完成臨時(shí)支護(hù)功能，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)工藝時(shí)還需充分考慮截割方式與地質(zhì)條件的匹配性，確保針對(duì)不同地質(zhì)條件或遇構(gòu)造斷層時(shí)也能順利截割。從截割角度而言，橫軸一體式滾筒無(wú)疑是最快形式，但遇條件變化存在截割困難、故障率高的問題，因此，在護(hù)盾式掘錨一體化裝備研發(fā)中，可以考慮將滾筒施工的結(jié)構(gòu)形式從整體式調(diào)整為分段式，改善滾筒截齒的布置方式，針對(duì)巖巷、半煤巖巷施工調(diào)整滾筒整體結(jié)構(gòu)，從而保證整個(gè)掘進(jìn)過程的連續(xù)性、高效性，整套護(hù)盾一體化裝備在施工、操作及功能性等方面還需朝著智能化的目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，逐步將掘進(jìn)作業(yè)與綜采作業(yè)一樣形成一整套較完善的系統(tǒng)性裝備，整體提升掘進(jìn)作業(yè)水平。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦快速掘進(jìn)工藝是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，快速掘進(jìn)工藝技術(shù)的研究也必須圍繞整個(gè)掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)及裝備的研發(fā)。從目前而言，掘進(jìn)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都或多或少會(huì)對(duì)掘進(jìn)效率帶來(lái)影響，掘支平行工藝的推行是需要綜合考慮所有工序，包括巷道的粉塵處理，快速截割及自動(dòng)化截割，錨桿錨索施工中的上網(wǎng)、換鉆桿、加錨固劑、緊固等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化技術(shù)突破，巷道運(yùn)輸環(huán)節(jié)的流暢等，因此，在煤礦快速掘進(jìn)工藝研究中，需要整合多方資源，融合國(guó)內(nèi)外精尖技術(shù)，從實(shí)地、井下一線的切實(shí)需求著手，逐項(xiàng)突破，逐步推進(jìn)，通過持續(xù)不斷的創(chuàng)新為煤礦快速掘進(jìn)的實(shí)現(xiàn)找到一套系統(tǒng)性的解決方案。