复杂地质条件下掘锚一体掘进工作面技术研究

复杂地质条件下掘锚一体掘进工作面技术研究

0工作面高效开采的难点中国煤炭资源丰富，采井队开采煤矿占90%。为了形成完整的生产、通风、辅助运输等系统，每年建设1500m新井。这是一个巨大的问题，往往是由于开采的长期困难。掘进工作面人员密集，安全性较差，冲击地压等动力灾害显现往往导致巷道断面急剧收缩，甚至闭合，造成人员群死群伤，严重制约了矿井的安全高效生产。近年来，快速掘进理论及设备取得了一定进展，掘进效率及安全水平得到了显著提高，但相比于回采工作面，掘进工作面整体效率及安全性偏低，成为制约煤矿安全高效开采的关键因素之一。本文以孟村煤矿快速掘进工作面为工程背景，介绍掘锚一体机工艺流程，通过设备升级达到提高掘进效率及保障安全的目的，实现多工序协同高效运转。1项目背景1.1运煤通道工作面掘进孟村煤矿位于陕西彬长矿区中西部，主采4401103工作面回风顺槽设计长度2032m，在401102工作面运煤通道180m处开口，开口后按方位角270°掘进，坡度为+0.17°～+0.5°，巷道净宽5.4m，净高3.5m。试验区域煤层厚度为23.30～24.18m，煤的视密度1.36t/m1.2道路防护401103工作面回风顺槽采用锚网索+钢带联合支护，顶部采用锚杆、锚索支护，帮部采用短锚索支护。(1）和支2支s135型树脂药卷顶部锚杆杆体材料采用左旋无纵肋螺纹钢树脂锚杆，规格为MSGLW-500/22×2500，间排距700mm×800mm，锚深2450mm，外露长度50mm。每根锚杆使用2支K2335和2支Z2335型树脂药卷（或1支K2360和1支Z2360型树脂药卷）。锚杆托板均采用Q235钢，规格150mm×150mm×12mm。锚固力和扭矩分别不小于100kN和300Nm，每排布置8根锚杆。顶部锚索每排布置4根锚索，锚索间排距为1500mm×800mm，锚索规格为φ21.8mm×7100mm，锚深6900mm，外露200mm。每根锚索使用2支K2335和3支Z2335型树脂药卷（或2支K2360和2支Z2360型树脂药卷）。锚索所用托盘为Q235碟形托盘，规格300mm×300mm×16mm。预紧力不小于200kN。(2）帮部支护锚索和盘料帮部支护采用锚索配合M钢带进行支护，每排左帮、右帮各布置2根钢带，钢带采用上下布置，每根钢带打设3根锚索，其中帮部支护锚索规格为φ21.8mm×3500mm，间排距700mm×800mm，锚深3300mm，外露200mm；每根锚索使用1支K2335和2支Z2335型树脂药卷（或1支K2360和1支Z2360型树脂药卷）；托盘采用GTR-M3钢带配套托盘，规格120mm×120mm×10mm。预紧力不小于200kN。2截割巷道侧帮快速掘进设备选用EJM2×170掘锚一体机，主要由截割部、铲板部、运输机部、行走部、锚杆机部及润滑系统等组成，为一次性进给设备，用于固定截割巷道宽度，滚筒伸出宽度5.2～6.2m。犁式铲板收集头使锚杆机到工作面的距离更近，当滚筒截煤时，可以简便快速地把煤装载到输送机上。截割滚筒每侧可缩回400mm，使整机宽度减少800mm，有利于设备的行走和撤回，提高截割转角煤时的灵活性；同时多电机的模块化设计提升了日常维护的便捷性，并保障了设备的可动率。EJM2×170掘锚一体机如图1所示。掘锚一体机（标准机型）技术参数：3挖掘与坍塌综合的技术(1）截割机参数调整掘锚一体机掘进截煤为全巷宽一次截割，截割循环流程：(1)升刀上掰截割摇杆使截割头升到设计高度，伸缩截割头，左（右）扳截割头摇杆将截割头伸（缩）至巷道全宽；(2)进刀按下截割启动键使截割电机启动，截割滚筒旋转，扫去上一刀预留的200mm左右煤体圆弧段，将截割头向前切入煤体800mm;(3)截煤由上向下切入煤体，直至底板；(4)藏刀向前移动掘锚一体机，将截割头深入迎头煤壁。与综掘机相比，掘锚一体机掘进效率大幅提升。掘锚一体机截割示意图及综掘机截割轨迹图分别如图2、图3所示。(2）煤体剥离、整理掘锚一体机掘进截煤过程中，可实现掘进、运输、支护等工序平行作业，通过截割部将煤体进行剥离，截深0.8m；铲板部取消了装载耙爪，使得空顶距大大缩小，剥离后的煤体经短铲板由一运输送到二运上，最后转运到带式输送机上；巷道支护由机载锚杆部完成，其中顶锚机及帮锚机分别负责顶部及帮部的支护施工，从而实现掘、运、支一体化。4锚杆索支护效果(1）施工效率掘锚一体机于2020年底投入使用，截至2021年4月，掘锚一体机共掘进760m，最大进尺超9m/d，月进尺达216m，较综掘工艺掘进效率提升50%以上，单个锚杆（索）支护效率提升60%以上。(2）煤体应力依据401103回风顺槽钻孔应力计进行的煤体应力监测，煤体应力情况如图4所示，煤体应力处于较低水平。(3）锚杆（索）工作载荷测区锚杆（索）工作载荷如图5所示，最小受力86kN，最大受力168kN，平均受力122kN，表明测区锚杆（索）处于较好的工作状态，巷道围岩支护效果良好。使用掘锚一体机进行煤巷掘进后，施工效率得到大幅提升，煤体应力处于较低水平，锚杆（索）受力状态