煤矿快速掘进机械设备配套优化研究

刘晓强

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 寿阳 045400）

引言

巷道的掘进效率在一定程度上决定综采工作面的开采效率，掘进工作面受掘进设备、掘进工艺、支护效果以及相关配套机械设备等因素的影响。不同煤矿的地质、水文以及岩层等情况不同，实现其快速掘进所采用的工艺、支护措施以及相关配套机械设备的性能各不相同[1]。本文以某煤矿为例，针对其工作面实现快速掘进工艺、支护措施以及配套机械设备进行研究。

1 工程概述

某煤矿目前可供开采的煤层包括有3 号、4 号、13 号、15 号煤层，总开采面积为12 km2，该煤矿的设计生产能力为120 t/a。某煤矿开采煤层的平均厚度为5.9 m，不稳定煤层所占比例较多。本文着重对某煤矿15 号煤层工作面进行研究，该工作面煤层厚度为4.25 m，属于稳定煤层。15 号煤层工作面瓦斯的绝对涌出量为4.55 m3/min。15 号煤层的顶底板情况如表1 所示。

经分析探测结果及实测数据可知，15 号煤层工作面的正常涌水量为12.5 m3/h，最大涌水量为31 m3/h。目前，为工作面所配置排水系统的最大排水能力为45 m3/h。

2 实现工作面快速掘进的关键措施

巷道的掘进属于工作面开采的关键环节，目前工作面可采用综合机械化掘进和岩巷钻爆法完成掘进任务。经研究可知，影响工作面快速掘进的主要因素包括有凿岩效率、支护效果以及刮板卡链等。其中，凿岩效率影响快速掘进的影响因子为0.328，支护效果影响快速掘进的影响因子为0.237，刮板链等事故影响快速掘进的影响因子为0.179[2]。

表1 15 号煤层顶底板情况

2.1 巷道支护措施

岩层掘进的支护问题比综采工作面的支护相较更复杂，根据15 号煤层的顶底板情况，结合岩巷支护经验。15 号煤层工作面采用锚杆锚索联合支护的方式，具体支护参数为：锚杆直径为18 mm，锚杆长度为1.8 m，锚杆预紧力为60 kN；锚索直径为18 mm，锚索长度为6 m，锚索预紧力为120 kN。

为验证初确定锚杆锚索联合支护对岩巷围岩控制效果，本文基于FLAC3D 软件建立15 号煤层工作面的模型，并将支护参数设置于模型中对最初支护参数的围岩控制效果进行仿真分析。经仿真分析可知：当掘进工作面推进3 m 时，岩巷变形主要集中于肩部0.25 m 和右帮0.2 m 的位置；当掘进工作面推进6 m 时，岩巷变形主要集中在左肩0.23 m 的位置；当掘进工作面推进至9 m 时，岩巷变形同样集中在左肩0.23 m 的位置。因此，随着掘进工作面的推进，岩巷的主要变形位置集中于左肩位置处。故，需对岩巷左肩位置进行重点支护。

结合15 号煤层工作面的实际情况，在理论计算的基础上最终确定该工作面的支护方式如下：

1）工作面顶板锚杆直径为20 mm，锚杆长度为2 m，锚杆间距为900 mm，锚杆排间距为900 mm；

2）两帮所选型锚杆直径为20 mm，锚杆长度为1.8 m，锚杆间距为700 mm，锚杆排间距为900 mm，两帮锚杆呈45°安装；

3）锚索选用左旋预应力绞线，锚索直径为16 mm，锚索长度为6.5 m，锚索间距为1 600 mm，锚索排间距为1 800 mm。

此外，支护方案中所采用树脂锚固剂的型号为Z2060，并在锚杆锚索支护的基础上在顶板和两帮采用网格尺寸为900 mm×900 mm 的W 钢带进行固定[3]。

2.2 机械设备配套

2.2.1 凿岩钻头的配套

凿岩钻头的性能在一定程度上决定了钻孔的效率和质量，进而直接决定工作面的掘进效率。目前，常用于掘进工作面的钻头类型有十字型钻头和球齿型钻头。

经实践表明，在实际钻孔过程中采用十字型钻头的平均钻孔速度为0.15 m/min，且一般在钻了三个孔后就需重新换个钻头；当采用球齿钻头时其对应平均钻孔速度为0.25 m/min，且采用球齿钻头钻完四个孔后，钻头还可继续使用。

综上所述，为15 号煤层工作面的快速掘进配置球齿钻头，且根据工作面锚杆锚索的直径为其配置钻头的直径为42 mm。

2.2.2 金属网的铺设

工作面所铺设的金属网可以有效提升岩巷的支护强度，提升锚杆锚索的支护效果。该工作面以前所铺设金属网的规格为2.3 m×1.5 m，在实际施工过程中存在铺设效率低的问题。为保证工作面支护效果提升施工效率，将金属网的规格增大为3 m×1.5 m，且每个网孔的规格为100 mm×100 mm[4]。

2.2.3 凿岩机的配套

凿岩机是为掘进工作面支护所需实施钻孔的关键设备，原方案采用风动凿岩机，存在钻孔速度慢的问题，平均每个钻孔所需时间为8 min。为此，采用液压凿岩机替换风动凿岩机。

而且，为进一步提升工作面的掘进效率对涉及到的机械设备作出如下改进：

1）将工作面所配套EBZ200H 掘进机履带槽由垂直方向改进为切斜方向，增大了履带槽的深度，进一步提升掘进机的爬坡能力；

2）采用伸缩式皮带运输机替代桥带式装载机，在提升运输能力的同时，避免了刮板机卡链事故的发生[5]。

3 应用效果分析

经过对掘进工作面支护方案进行优化设计后，工作面每推进100 m 可节约500 根锚杆，支护所需时间相应减少了500 个孔的打孔时间，大大提高了锚杆支护的效率，进而提升了工作面的掘进效率。

用球齿钻头替换十字型钻头，平均每钻十个孔可节约时间将近3 h，大大提升了工作面的钻孔效率，进而提升了工作面的掘进效率。

将工作面金属网的规格由2.3 m×1.5 m 优化为3 m×1.5 m，可将以往的金属网搭接次数由8 次降低至4 次，每个循环班可节约时间将近1 h，大大缩减了金属网的铺设时间，从而间接地提升了掘进效率。