煤礦巷道掘進及巷道支護技術(shù)研究

煤礦巷道掘進及巷道支護技術(shù)研究

隨著高產(chǎn)、高效開采機械在我國煤礦生產(chǎn)中的使用，井道的配置發(fā)生了根本性的變化。過去，這條路的工作量很低，現(xiàn)在越來越多地轉(zhuǎn)向開放的大門和少開的巖路。同時,煤巷錨桿、錨噴和錨桿網(wǎng)支護技術(shù)的研究與完善,更有利于煤巷的大量開掘,為使用機械化、自動化程度更高的采掘設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。高可靠性、大功率以及自動化程度不斷提高的采煤設(shè)備,已經(jīng)可以使一個采煤工作面單產(chǎn)高達5.0~8.0Mt/a,采煤工作面的年推進度也已超過了3000m,并且還有繼續(xù)加大的趨勢,意味著需要更快的煤層巷道掘進準(zhǔn)備速度?？焖俑咝Ь蜻M出所需要的準(zhǔn)備巷道對煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)有重要的意義,也是煤礦生產(chǎn)者一直追求的目標(biāo)。1巷道圍巖支護的發(fā)展方向目前,我國煤巷、半煤巖巷道掘進分為兩類:一類是采用國產(chǎn)的綜掘設(shè)備組成的綜掘生產(chǎn)線;另一類是采用引進的連續(xù)式采煤機組成的采掘生產(chǎn)線。國產(chǎn)綜掘設(shè)備的代表機組有S100、AM50、ELMB55型等,2000年我國創(chuàng)水平的16個綜掘隊均采用這三種型號機組,并創(chuàng)造了年平均進尺8508m,最高達到15342m的好成績。第二類采掘生產(chǎn)線主要在神華東區(qū)的礦井達到了良好的發(fā)揮,9個創(chuàng)水平掘進隊的年平均進尺達到了13799m,最高達到22324m。盡管如此,我國煤礦煤巷、半煤巷綜掘平均進度仍然不高,這固然與各煤礦的地質(zhì)條件不同,以及與各煤礦技術(shù)管理水平的差異有關(guān),但掘進設(shè)備本身沒有與現(xiàn)在的巷道支護技術(shù)相適應(yīng),也是一個重要的原因。1.1提高巷道掘進成巷速度的途徑根據(jù)統(tǒng)計資料,巷道掘進作業(yè)中的支護時間要占總作業(yè)時間的70%,雖然在煤層及半煤巖巷道中采用了錨桿、錨噴和錨梁網(wǎng)等支護手段,簡化了巷道的支護作業(yè),但掘進巷道作業(yè)中的掘進與支護的分離,是進一步提高掘進巷道速度的最大障礙。在第一類生產(chǎn)線中,配套的支護設(shè)備一般是單體錨桿鉆機,錨桿安裝采用人工進行,典型的生產(chǎn)線配備3臺單體錨桿鉆機,勞動效率較低。由于巷道支護作業(yè)是在空頂情況下進行的,支護的安全性受著巷道頂板條件的制約。當(dāng)巷道頂板條件較好時,可以獲得較大的空頂距,掘進與支護之間的影響相對較小,支護作業(yè)可以集中進行,以彌補單體作業(yè)效率低的缺點;巷道頂板條件不好時,就必須通過縮短空頂距,縮小循環(huán)進尺的方法來保證支護的安全作業(yè),這樣一來掘進速度就會下降,這也是總體綜掘生產(chǎn)線掘進速度不能令人滿意的一個主要原因。在第二類生產(chǎn)線中,配套的支護設(shè)備一般采用自帶動力的錨桿鉆車,用機械操作代替人工作業(yè),雖然連續(xù)式采煤機切割煤巖層的效率較高,掘進速度快,但該掘進生產(chǎn)線一般需要同時掘進多條巷道和大量的橫貫來滿足配套設(shè)備的換位需要,因此掘進準(zhǔn)備速度就要大打折扣。為了發(fā)揮機械化設(shè)備的性能,需要有較好的巷道頂板條件等,以獲得較大的空頂距,一般空頂距達6m左右。從該類生產(chǎn)線的掘進工藝分析,在巷道頂板條件較差時,設(shè)備的換位將占用大量時間,掘進進尺將大大降低。綜上所述,巷道頂板條件適宜,是上述兩類掘進生產(chǎn)線獲得較高掘進速度的前提。眾所周知,煤層的賦存條件由于成煤環(huán)境不同而異,故巷道的頂板條件也是千差萬別,為掘進巷道提供及時支護、將掘進與支護作業(yè)有機結(jié)合在一起就成為提高綜合條件下巷道掘進成巷速度的關(guān)鍵,采掘錨、掘錨一體化快速掘進成巷技術(shù)及設(shè)備正是因此而得到了發(fā)展。盡管掘進設(shè)備的主要任務(wù)是進行巷道掘進,滿足采煤工作面的接替要求,但掘進設(shè)備具有采煤功能對于不適于正規(guī)長壁工作面開采的塊段是非常有利的。2心設(shè)備的作用采掘錨一體化快速掘進成巷技術(shù)是指將采煤、掘進與支護結(jié)合在一起的可以實現(xiàn)快速掘進成巷的技術(shù),包含了煤的切割與巷道錨桿支護技術(shù)。本技術(shù)的核心設(shè)備是采掘錨機組,它實際上是連續(xù)式采煤機與錨桿打眼、安裝機復(fù)合的一體化設(shè)備,可以完成切割、裝煤工序,又能夠完成鉆孔、安裝錨桿等工序,因而可以進行采煤、掘進和支護的作業(yè),從而減少了掘進工作面的設(shè)備和人員,掘進工作面的空頂距可以縮短到0.75~1.4m,并且采用了臨時支護措施,使得掘進與支護作業(yè)更加簡單和安全,可以適應(yīng)不斷變化的巷道頂板條件,掘進成巷速度也較快,還能適應(yīng)巷道布置方式的變化。2.1美國某市的采煤機充填式開采錨一體化機組最早的采掘錨一體化設(shè)備是在第一臺連續(xù)式采煤機面世后的七年,生產(chǎn)于美國,它是在連續(xù)式采煤機上安裝了一臺錨桿機,只能打兩個錨桿,在采煤機換位后,人工或獨立的錨桿機補打其余的錨桿。之后美國推出了14CM10-15BD型衛(wèi)星式連續(xù)采掘/錨桿機,并廣泛用于西弗吉尼亞州和賓夕法尼亞州的長壁工作面掘進順槽。該機的截割頭很寬,可以一次成巷。其外側(cè)滾筒的寬度、裝載部的側(cè)板可以液壓收縮,來減少設(shè)備的寬度,便于倒面。該機在一個自由活動的平臺上安裝有二個頂板錨桿機,并帶有臨時支護裝置。其工作循環(huán)是:連續(xù)式采煤機定位后,進行切割煤層,鉆機司機調(diào)節(jié)油缸使平臺與采煤機機身分開,并升起臨時支護裝置支撐巷道頂板。當(dāng)采煤機推進到相當(dāng)于錨桿排距的距離時,鉆機司機在臨時支護裝置下,進行錨桿作業(yè),而采煤機割煤不受錨桿作業(yè)的影響。打完錨桿、鉆工回到機后,收縮臨時支護和千斤頂,平臺放回連續(xù)式采煤機的托架上,連續(xù)式采煤機兩側(cè)的千斤頂把衛(wèi)星平臺向前推進,開始下一個循環(huán)作業(yè)。之后美國又推出不同機型的采掘錨一體化機組。隨著各國采煤技術(shù)和巷道錨桿支護技術(shù)的研究與發(fā)展,一些國家相繼開發(fā)出本國機型的采掘錨一體化快速掘進成巷設(shè)備。國外的采掘錨機組的技術(shù)特征見表1。2.2連續(xù)式采煤機和錨桿機串聯(lián)巷道我國目前還沒有生產(chǎn)以及引進國外的采掘錨一體化快速掘進成巷設(shè)備,但引進國外的連續(xù)式采煤機在一些煤礦獲得了應(yīng)用,并取得了良好的效果。我國除少數(shù)煤礦(如神華的上灣礦)使用連續(xù)式采煤機專門用于采煤外,大多數(shù)礦井主要是用于掘進煤層巷道,其主要配套設(shè)備有連續(xù)式采煤機、錨桿鉆車、鏟車、運煤車、破碎機、膠帶輸送機等設(shè)備,為了便于配套設(shè)備的換位作業(yè),一般是采用三巷或四巷式掘進。本生產(chǎn)線的設(shè)備布置和掘進工藝見圖1。從設(shè)備工作的程序要求看,該設(shè)備適于同時掘進多條巷道,而不適于掘進單巷。在同時掘進多條巷道時,最合適的巷道條數(shù)是三條,巷道條數(shù)過多會影響綜采工作面的準(zhǔn)備速度,少一條則不利于設(shè)備的換位作業(yè)。從圖1可見,掘進生產(chǎn)線的連續(xù)式采煤機和錨桿機需要不斷換位,因此需要每隔15~20m開鑿一個聯(lián)絡(luò)巷,聯(lián)絡(luò)巷的間距加大則增加設(shè)備的換位時間,影響掘進速度,故聯(lián)絡(luò)巷的工程量很多,顯然對于不需要過多掘進巷道的礦井是非常不利的。另一方面,巷道的頂板條件對其掘進效率的影響很大,由于該設(shè)備不能對巷道提供及時支護,故巷道能獲得6m左右的空頂距是取得良好掘進成績的關(guān)鍵。頂板條件的惡化使空頂距減小,連續(xù)式采煤機每次換位掘進巷道的長度也將減小,增加了設(shè)備的換位時間,最終減少巷道的掘進成巷速度。采掘錨一體化快速掘進成巷技術(shù)由于其核心設(shè)備采掘錨機組本身帶有打錨桿眼、安裝錨桿部件,不僅取消了錨桿鉆車,而且設(shè)備不用經(jīng)常進行移動換位,可以適應(yīng)各種巷道布置形式的掘進巷道需要,設(shè)備配置也比較靈活,可以根據(jù)需要掘進巷道數(shù)目配備不同的后繼設(shè)備。單條巷道掘進時,其后繼配套設(shè)備可以采用破碎機、轉(zhuǎn)載機和膠帶輸送機,構(gòu)成連續(xù)運煤系統(tǒng);掘進多條巷道時,可以同時掘進,也可以單條相繼掘進。同時掘進多條巷道時,其后繼配套設(shè)備可采用與連續(xù)式采煤機除錨桿鉆車外的相同設(shè)備,也可采用破碎機、膠帶輸送機、刮板機等構(gòu)成的其他形式連續(xù)運煤系統(tǒng)。當(dāng)采用連續(xù)運煤系統(tǒng)時,聯(lián)絡(luò)巷的間距可根據(jù)需要開掘,不受設(shè)備換位的約束,從而減少大量的聯(lián)絡(luò)巷的開掘。更重要的是,該設(shè)備提供了臨時支護功能,能夠?qū)敯暹M行及時的支護,縮小了空頂距,增加了對巷道頂板的控制,提高了對不同煤層、頂板條件的適應(yīng)性,工作的安全程度也得到提高。同時,設(shè)備除完成必要的掘進巷道任務(wù)外,同樣可以用于開采井下的不規(guī)則塊段和用采煤機開采不合理的區(qū)域。3掘錨一體化設(shè)備的發(fā)展巷道掘進廣泛地采用綜合機械化掘進機,這種掘進機的截割部大多采用縱軸式截割頭,巷道的掘進是靠截割頭的上下、左右擺動切割煤體實現(xiàn),切割成的巷道斷面是矩形或拱形。在切出巷道斷面后進行巷道的支護作業(yè)成巷,掘進與支護的分離使得掘進成巷速度受到限制,尤其在巷道頂板條件不好的情況。為了提高不同巷道頂板條件下的掘進成巷速度和掘進效率,結(jié)合煤巷錨桿支護技術(shù)的研究,發(fā)展了掘錨一體化設(shè)備及技術(shù)。掘錨一體化設(shè)備有兩種形式,一種是與單縱軸式截割部掘進機復(fù)合的掘錨一體化設(shè)備,另一種是與雙縱軸式滾筒截割部掘進機復(fù)合的掘錨一體化設(shè)備。英國安德森公司的RH45型設(shè)備屬于第一種類型。在澳大利亞得到使用的IIS型順槽掘進機為第二種類型,該機的截割部采用在搖臂上安裝兩個縱軸式截割滾筒,搖臂能夠在滑道上往返移動,該機最多可以安裝5臺錨桿機,離迎頭的距離只有1.55m,機組的截割滾筒通過可編程控制器的控制,可以切割出不同的巷道斷面形狀,從長方形到拱形。更主要的是它可以安裝中心錨桿,實現(xiàn)巷道切割和支護作業(yè)的同時進行。雖然我國目前沒有生產(chǎn)該類設(shè)備,但已經(jīng)開始了這方面的研究與開發(fā)。煤科院南京研究所與兗州鮑店煤礦共同研究開發(fā)了機載的錨桿鉆機,并安裝在MRH-S100型掘進機上,組成掘錨一體化掘進機組進行試驗,試驗期間的平均進尺為389m/月,在煤層和頂板的硬度合適時,月實際進度可達500m。隨著研究的深入,可以預(yù)料國產(chǎn)的掘錨一體化快速掘進成巷設(shè)備將在我國進入實際應(yīng)用階段。4掘錨機組的特點采掘錨一體化設(shè)備與掘錨一體化設(shè)備的區(qū)別主要在截割部不同,采掘錨一體化設(shè)備由于是在連續(xù)式采煤機上發(fā)展的,故其截割部采用了可伸縮橫滾筒,掘進巷道的最小寬度不能小于截割滾筒的寬度,由于滾筒的寬度大,具有很高生產(chǎn)能力(8~12t/min)。除進行巷道快速掘進成巷外,還能進行高效的采煤,對于廣泛采用長壁采煤的我國,這一功能對非正規(guī)塊段的開采,提高煤炭回收率具有非常重大的意義。掘錨機組是在綜合掘進設(shè)備上發(fā)展起來的,它的截割部一般采用縱軸式截割頭,掘進巷道的寬度是靠截割頭擺動或移動獲得的,截割破煤的能力較低。故它是單純?yōu)榱颂岣呦锏谰蜻M成巷速度的設(shè)備,盡管這類設(shè)備不適合采煤,但設(shè)備質(zhì)量和機長一般較小,配置比較簡單,掘進巷道的斷面可以是拱形或矩形,掘進與錨桿打眼、安裝的有機結(jié)合,大大地提高了巷道掘進成巷速度和掘進效率,以及支護作業(yè)的安全性。5掘進錨一體化設(shè)備為了適應(yīng)煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要,我國相繼引進了國外的連續(xù)式采煤機,我國多數(shù)煤礦是利用連續(xù)式采煤機掘進多條煤層巷道,布置長壁工作面進行回采。多條煤層巷道有利于長壁工作面的輔助運輸?shù)茸鳂I(yè),但帶來礦井掘進巷道多、煤炭回收率低等弊病,雖然掘進煤層巷道也可以出煤,但煤柱的回收比較困難,盡管有些礦井采用