煤矿巷道掘进及巷道支护技术研究

煤矿巷道掘进及巷道支护技术研究

随着高产、高效开采机械在我国煤矿生产中的使用，井道的配置发生了根本性的变化。过去，这条路的工作量很低，现在越来越多地转向开放的大门和少开的岩路。同时,煤巷锚杆、锚喷和锚杆网支护技术的研究与完善,更有利于煤巷的大量开掘,为使用机械化、自动化程度更高的采掘设备奠定了基础。高可靠性、大功率以及自动化程度不断提高的采煤设备,已经可以使一个采煤工作面单产高达5.0~8.0Mt/a,采煤工作面的年推进度也已超过了3000m,并且还有继续加大的趋势,意味着需要更快的煤层巷道掘进准备速度。快速高效掘进出所需要的准备巷道对煤矿实现高产高效生产有重要的意义,也是煤矿生产者一直追求的目标。1巷道围岩支护的发展方向目前,我国煤巷、半煤岩巷道掘进分为两类:一类是采用国产的综掘设备组成的综掘生产线;另一类是采用引进的连续式采煤机组成的采掘生产线。国产综掘设备的代表机组有S100、AM50、ELMB55型等,2000年我国创水平的16个综掘队均采用这三种型号机组,并创造了年平均进尺8508m,最高达到15342m的好成绩。第二类采掘生产线主要在神华东区的矿井达到了良好的发挥,9个创水平掘进队的年平均进尺达到了13799m,最高达到22324m。尽管如此,我国煤矿煤巷、半煤巷综掘平均进度仍然不高,这固然与各煤矿的地质条件不同,以及与各煤矿技术管理水平的差异有关,但掘进设备本身没有与现在的巷道支护技术相适应,也是一个重要的原因。1.1提高巷道掘进成巷速度的途径根据统计资料,巷道掘进作业中的支护时间要占总作业时间的70%,虽然在煤层及半煤岩巷道中采用了锚杆、锚喷和锚梁网等支护手段,简化了巷道的支护作业,但掘进巷道作业中的掘进与支护的分离,是进一步提高掘进巷道速度的最大障碍。在第一类生产线中,配套的支护设备一般是单体锚杆钻机,锚杆安装采用人工进行,典型的生产线配备3台单体锚杆钻机,劳动效率较低。由于巷道支护作业是在空顶情况下进行的,支护的安全性受着巷道顶板条件的制约。当巷道顶板条件较好时,可以获得较大的空顶距,掘进与支护之间的影响相对较小,支护作业可以集中进行,以弥补单体作业效率低的缺点;巷道顶板条件不好时,就必须通过缩短空顶距,缩小循环进尺的方法来保证支护的安全作业,这样一来掘进速度就会下降,这也是总体综掘生产线掘进速度不能令人满意的一个主要原因。在第二类生产线中,配套的支护设备一般采用自带动力的锚杆钻车,用机械操作代替人工作业,虽然连续式采煤机切割煤岩层的效率较高,掘进速度快,但该掘进生产线一般需要同时掘进多条巷道和大量的横贯来满足配套设备的换位需要,因此掘进准备速度就要大打折扣。为了发挥机械化设备的性能,需要有较好的巷道顶板条件等,以获得较大的空顶距,一般空顶距达6m左右。从该类生产线的掘进工艺分析,在巷道顶板条件较差时,设备的换位将占用大量时间,掘进进尺将大大降低。综上所述,巷道顶板条件适宜,是上述两类掘进生产线获得较高掘进速度的前提。众所周知,煤层的赋存条件由于成煤环境不同而异,故巷道的顶板条件也是千差万别,为掘进巷道提供及时支护、将掘进与支护作业有机结合在一起就成为提高综合条件下巷道掘进成巷速度的关键,采掘锚、掘锚一体化快速掘进成巷技术及设备正是因此而得到了发展。尽管掘进设备的主要任务是进行巷道掘进,满足采煤工作面的接替要求,但掘进设备具有采煤功能对于不适于正规长壁工作面开采的块段是非常有利的。2心设备的作用采掘锚一体化快速掘进成巷技术是指将采煤、掘进与支护结合在一起的可以实现快速掘进成巷的技术,包含了煤的切割与巷道锚杆支护技术。本技术的核心设备是采掘锚机组,它实际上是连续式采煤机与锚杆打眼、安装机复合的一体化设备,可以完成切割、装煤工序,又能够完成钻孔、安装锚杆等工序,因而可以进行采煤、掘进和支护的作业,从而减少了掘进工作面的设备和人员,掘进工作面的空顶距可以缩短到0.75~1.4m,并且采用了临时支护措施,使得掘进与支护作业更加简单和安全,可以适应不断变化的巷道顶板条件,掘进成巷速度也较快,还能适应巷道布置方式的变化。2.1美国某市的采煤机充填式开采锚一体化机组最早的采掘锚一体化设备是在第一台连续式采煤机面世后的七年,生产于美国,它是在连续式采煤机上安装了一台锚杆机,只能打两个锚杆,在采煤机换位后,人工或独立的锚杆机补打其余的锚杆。之后美国推出了14CM10-15BD型卫星式连续采掘/锚杆机,并广泛用于西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的长壁工作面掘进顺槽。该机的截割头很宽,可以一次成巷。其外侧滚筒的宽度、装载部的侧板可以液压收缩,来减少设备的宽度,便于倒面。该机在一个自由活动的平台上安装有二个顶板锚杆机,并带有临时支护装置。其工作循环是:连续式采煤机定位后,进行切割煤层,钻机司机调节油缸使平台与采煤机机身分开,并升起临时支护装置支撑巷道顶板。当采煤机推进到相当于锚杆排距的距离时,钻机司机在临时支护装置下,进行锚杆作业,而采煤机割煤不受锚杆作业的影响。打完锚杆、钻工回到机后,收缩临时支护和千斤顶,平台放回连续式采煤机的托架上,连续式采煤机两侧的千斤顶把卫星平台向前推进,开始下一个循环作业。之后美国又推出不同机型的采掘锚一体化机组。随着各国采煤技术和巷道锚杆支护技术的研究与发展,一些国家相继开发出本国机型的采掘锚一体化快速掘进成巷设备。国外的采掘锚机组的技术特征见表1。2.2连续式采煤机和锚杆机串联巷道我国目前还没有生产以及引进国外的采掘锚一体化快速掘进成巷设备,但引进国外的连续式采煤机在一些煤矿获得了应用,并取得了良好的效果。我国除少数煤矿(如神华的上湾矿)使用连续式采煤机专门用于采煤外,大多数矿井主要是用于掘进煤层巷道,其主要配套设备有连续式采煤机、锚杆钻车、铲车、运煤车、破碎机、胶带输送机等设备,为了便于配套设备的换位作业,一般是采用三巷或四巷式掘进。本生产线的设备布置和掘进工艺见图1。从设备工作的程序要求看,该设备适于同时掘进多条巷道,而不适于掘进单巷。在同时掘进多条巷道时,最合适的巷道条数是三条,巷道条数过多会影响综采工作面的准备速度,少一条则不利于设备的换位作业。从图1可见,掘进生产线的连续式采煤机和锚杆机需要不断换位,因此需要每隔15~20m开凿一个联络巷,联络巷的间距加大则增加设备的换位时间,影响掘进速度,故联络巷的工程量很多,显然对于不需要过多掘进巷道的矿井是非常不利的。另一方面,巷道的顶板条件对其掘进效率的影响很大,由于该设备不能对巷道提供及时支护,故巷道能获得6m左右的空顶距是取得良好掘进成绩的关键。顶板条件的恶化使空顶距减小,连续式采煤机每次换位掘进巷道的长度也将减小,增加了设备的换位时间,最终减少巷道的掘进成巷速度。采掘锚一体化快速掘进成巷技术由于其核心设备采掘锚机组本身带有打锚杆眼、安装锚杆部件,不仅取消了锚杆钻车,而且设备不用经常进行移动换位,可以适应各种巷道布置形式的掘进巷道需要,设备配置也比较灵活,可以根据需要掘进巷道数目配备不同的后继设备。单条巷道掘进时,其后继配套设备可以采用破碎机、转载机和胶带输送机,构成连续运煤系统;掘进多条巷道时,可以同时掘进,也可以单条相继掘进。同时掘进多条巷道时,其后继配套设备可采用与连续式采煤机除锚杆钻车外的相同设备,也可采用破碎机、胶带输送机、刮板机等构成的其他形式连续运煤系统。当采用连续运煤系统时,联络巷的间距可根据需要开掘,不受设备换位的约束,从而减少大量的联络巷的开掘。更重要的是,该设备提供了临时支护功能,能够对顶板进行及时的支护,缩小了空顶距,增加了对巷道顶板的控制,提高了对不同煤层、顶板条件的适应性,工作的安全程度也得到提高。同时,设备除完成必要的掘进巷道任务外,同样可以用于开采井下的不规则块段和用采煤机开采不合理的区域。3掘锚一体化设备的发展巷道掘进广泛地采用综合机械化掘进机,这种掘进机的截割部大多采用纵轴式截割头,巷道的掘进是靠截割头的上下、左右摆动切割煤体实现,切割成的巷道断面是矩形或拱形。在切出巷道断面后进行巷道的支护作业成巷,掘进与支护的分离使得掘进成巷速度受到限制,尤其在巷道顶板条件不好的情况。为了提高不同巷道顶板条件下的掘进成巷速度和掘进效率,结合煤巷锚杆支护技术的研究,发展了掘锚一体化设备及技术。掘锚一体化设备有两种形式,一种是与单纵轴式截割部掘进机复合的掘锚一体化设备,另一种是与双纵轴式滚筒截割部掘进机复合的掘锚一体化设备。英国安德森公司的RH45型设备属于第一种类型。在澳大利亚得到使用的IIS型顺槽掘进机为第二种类型,该机的截割部采用在摇臂上安装两个纵轴式截割滚筒,摇臂能够在滑道上往返移动,该机最多可以安装5台锚杆机,离迎头的距离只有1.55m,机组的截割滚筒通过可编程控制器的控制,可以切割出不同的巷道断面形状,从长方形到拱形。更主要的是它可以安装中心锚杆,实现巷道切割和支护作业的同时进行。虽然我国目前没有生产该类设备,但已经开始了这方面的研究与开发。煤科院南京研究所与兖州鲍店煤矿共同研究开发了机载的锚杆钻机,并安装在MRH-S100型掘进机上,组成掘锚一体化掘进机组进行试验,试验期间的平均进尺为389m/月,在煤层和顶板的硬度合适时,月实际进度可达500m。随着研究的深入,可以预料国产的掘锚一体化快速掘进成巷设备将在我国进入实际应用阶段。4掘锚机组的特点采掘锚一体化设备与掘锚一体化设备的区别主要在截割部不同,采掘锚一体化设备由于是在连续式采煤机上发展的,故其截割部采用了可伸缩横滚筒,掘进巷道的最小宽度不能小于截割滚筒的宽度,由于滚筒的宽度大,具有很高生产能力(8~12t/min)。除进行巷道快速掘进成巷外,还能进行高效的采煤,对于广泛采用长壁采煤的我国,这一功能对非正规块段的开采,提高煤炭回收率具有非常重大的意义。掘锚机组是在综合掘进设备上发展起来的,它的截割部一般采用纵轴式截割头,掘进巷道的宽度是靠截割头摆动或移动获得的,截割破煤的能力较低。故它是单纯为了提高巷道掘进成巷速度的设备,尽管这类设备不适合采煤,但设备质量和机长一般较小,配置比较简单,掘进巷道的断面可以是拱形或矩形,掘进与锚杆打眼、安装的有机结合,大大地提高了巷道掘进成巷速度和掘进效率,以及支护作业的安全性。5掘进锚一体化设备为了适应煤矿高产高效生产的需要,我国相继引进了国外的连续式采煤机,我国多数煤矿是利用连续式采煤机掘进多条煤层巷道,布置长壁工作面进行回采。多条煤层巷道有利于长壁工作面的辅助运输等作业,但带来矿井掘进巷道多、煤炭回收率低等弊病,虽然掘进煤层巷道也可以出煤,但煤柱的回收比较困难,尽管有些矿井采用