现代化煤矿巷道技术：机械化掘进与支护

王 金 华
(煤炭科学研究总院,北京 100013)

摘 要：介绍了我国煤巷机械化掘进机和支护技术的现状,全面阐明煤巷快速掘进、煤巷锚杆支护技术是高效集约化矿井建设的关键性配套技术,进而指出煤巷机械化快速掘进技术的发展趋势。

关键词：煤巷;快速掘进;锚杆支护;掘进机

我国煤炭开采以井工为主,煤矿巷道掘进与支护工程量浩大。2001年原国有重点煤矿掘进总进尺高达5 045 km,其中煤巷约4 480 km,占8819%;全国256个综采工作面年耗回采巷道820 km,其中综掘总进尺达650 km。综掘仍是高产高效矿井回采巷道掘进的主要技术方法。我国已研制开发和引进使用了近20种悬臂式掘进机,综合机械化掘进程度逐步提高。近年来,我国成功地开发和推广使用了煤巷锚杆支护技术,使巷道围岩地质力学性能测试技术、煤巷锚杆支护设计技术、施工机具、支护材料均得到快速发展。煤巷机械化掘进和支护技术为我国高产高效矿井建设提供了必不可少的技术支撑。同时,随着综采生产技术的发展,百万吨综采工作面屡见不鲜,并已出现年产1 000 万t以上的全自动化综采工作面,使年耗回采巷道量大幅增加,从而使煤巷掘进与支护正在成为煤矿高效安全集约化生产的技术瓶颈,是当前煤炭工业亟需研究开发的重大共性关键性技术。

我国煤巷综合机械化掘进设备的研制和应用始于20世纪60年代,以功率30～50 kW的小型悬臂式掘进机为主,研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期,为适应煤矿机械化生产发展的需要,我国采用技贸合作方式引进了当时具有先进技术水平的AM50型、S-100型悬臂式掘进机。同时,国内通过吸收消化积极研制开发了适合本国煤层地质条件和矿井生产工艺的综合机械化掘进设备,已研制生产了20多种型号的掘进机,初步形成系列产品,对促进我国煤巷机械化掘进技术发展和应用发挥了重要作用。我国现役掘进设备以引进生产的AM50型、S-100型掘进机为主,同时国内研制开发的EBM、EBJ系列掘进机也得到广泛应用,全国已累计生产装备近400台悬臂式掘进机。我国现用煤巷悬臂式掘进机主要技术性能参数详见表1。

1.1 AM50、S-100型掘进机

AM50、S-100型悬臂式掘进机是20世纪80年代我国以技贸合作方式引进生产的中硬煤层巷道掘进机。设备集切割、装运和行走为一体,采用了多种新结构、新技术,具备切割夹矸的能力,截割功率均为100 kW,截割断面积8～18 m2,机重约20 t。AM50、S-100型掘进机为纵向切割头,切割面积较小,但单刀切割力较大,能切割较硬的岩石,适应多种地质条件。这2种机型都具有体积小、质量轻,安装移设灵活等特点。后配套设备为QZP-160型转载机、SSJ-600型可伸缩带式输送机,实现国产化后已在全国累计推广200多台,投入使用以来多次突破年进万米大关。2001年兖矿集团兴隆庄煤矿综掘队采用S-100型掘进机,掘凿煤-岩巷道创年进尺15 342 m的好成绩。但AM50型、S-100型悬臂式掘进机均为国外上世纪70年代的产品,设备功率小、机身轻、破岩能力低及电控装备可靠性差,仅适合在条件较好的煤或半煤岩巷道中使用。近年来,我国相继开发了EBJ-200型、EBJ-160型、EBJ-132型、EBJ-120TP型和EBJ-110SH型悬臂式掘进机,从根本上解决了传统掘进机的技术缺陷,技术性能达到了20世纪末国际先进水平,正逐步推广应用,将逐渐取代传统的掘进机,并已取得了良好效果。

表1　我国煤巷悬臂式掘进机主要技术性能

1.2 EBJ-160型半煤岩巷掘进机

EBJ-160型重型掘进机是国家/八五0科技攻关重点项目产品。该机采用多种先进的结构设计,整体布置合理,工作可靠,具有生产能力大、切割硬度高、调动速度快、工作稳定性好、截齿消耗低等特点,其整机综合指标达到90年代初国际同类机型先进水平。EBJ-160掘进机后配ES-800转载机和SSJ-800/240伸缩带式输送机。该机在大同马脊梁煤矿薄煤层半煤岩巷道掘进施工中,在岩石强度为132 MPa、岩石比例占断面积46%的条件下,创造月进尺468 m、年进尺5 315 m的好成绩。

EBJ-160型重型掘进机不但适用于煤和半煤岩综采工作面巷道掘进,也适用于类似条件的工程隧道掘进。目前该机已经批量生产,并出口俄罗斯,同时也在河南、四川等铁路隧道工程上推广使用。该机1996年被国家科学技术委员会等五部委授于国家级新产品;1998年获煤炭工业科技进步一等奖,1999年获国家科技进步二等奖。

1.3 EBJ-132、EBJ-120型掘进机

针对AM50、S-100型掘进机在使用中暴露出的截割能力小、稳定性和工作可靠性较差的问题,我国自行研制开发了EBJ-132型、EBJ-120TP型掘进机。这些新产品具有以下技术特点:¹机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单、维护方便,适合于中等断面巷道掘进;º采用小直径截割头,单刀力大,截齿布置合理,破岩过断层能力强,切割振动小,工作稳定性好;»星轮装载机构采用液压马达直接驱动,取消了减速器,提高了装载机构的可靠性;¼采用无支重轮履带行走机构,性能可靠,维护量小;½液压系统采用自动加油系统全封闭油箱,确保了油液清洁度,增加了液压系统的可靠性;¾电气系统采用可编程序控制器(PLC)作为主控制器,保护功能强,具有工况检测和故障诊断功能。

目前,EBJ-132型掘进机已推广应用20多台,EBJ-120TP型掘进机2001年通过煤炭工业协会技术鉴定后,已应用30多台,使用效果良好。EBJ-120型掘进机荣获2003年煤炭工业协会科技进步特等奖。

近年来,悬臂式掘进机的发展趋势:¹切割功率不断加大,纵向截割头机型功率达250 kW,横向截割头机型达350 kW,生产能力和切割硬度不断提高,可切割120 MPa的岩石,设计生产能力达到500 m3/h以上;º截割、装载、履带行走机等结构进一步改进,使用范围进一步拓宽,除应用于煤矿外,已经广泛应用于工程和隧道施工;»采用了微机工况监测监控技术和截割断面形状自动控制技术,自动化性能大幅度提高;¼增设了顶板和煤壁锚杆钻机,实现了掘锚一体化功能。

我国煤巷支护经历了木支护、工字钢刚性支护、U形钢拱形可缩性支护和锚杆支护技术的发展过程。与棚式支架支护相比,锚杆支护显著提高了巷道支护效果,降低了巷道支护成本,减轻了工人劳动强度。同时,锚杆支护简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺,改善了作业环境,保证了安全生产,为采煤工作面的快速推进、实现高产高效创造了良好条件。

目前,煤巷锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用,是煤矿实现高产高效生产必不可缺少的配套技术。

2.1 巷道围岩地质力学测试

围岩内应力、地应力是巷道变形和破坏的根本原因。巷道围岩地质力学测试工作是煤巷支护设计、施工和维护管理中的一项基本工作。我国已经研制开发了井下巷道围岩强度测试技术、巷道围岩结构测试技术、水压致裂法地应力测量技术,并在兖州、潞安、新汶、邢台、晋城等矿区的应用中取得显著成效。

水压致裂法地应力测试原理是通过在封隔钻孔段注高压水,使钻孔破裂,根据钻孔破裂时的压力和方向确定主应力的大小和方向。水压致裂法测量应力不需要套芯,测试过程简单,可以快速、经济地进行大面积测量,特别是在测量水平应力方面,具有明显优势。针对煤矿井下巷道的特点,目前开发研制的YY-56型矿用便携式水压致裂地应力测量仪器,可快速、准确、大面积地测量煤矿巷道围岩地应力。

2.2 锚杆支护设计

在多年锚杆支护实践经验基础上,根据煤巷特点,借鉴国外先进技术经验,我国成功开发了锚杆支护动态信息设计法。该设计方法包括:试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈和修正设计、变形和安全监测等技术内容。其中,试验点调查评估包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容。锚杆支护初始设计采用有限差分软件FLAC、离散单元法软件UDEC进行。为使锚杆支护设计具有较高的科学性和可靠性,在大量示范巷道数值计算设计的基础上,开发专用设计软件系统。煤巷锚杆支护设计软件由4部分组成:数据库系统、咨询系统、设计系统、绘图系统。系统具有查看各煤矿地质力学参数的图表、提供煤巷锚杆支护技术咨询、设计巷道支护参数、打印输出巷道支护材料消耗清单和巷道支护布置图的功能。

计算结果用经验法比较修改后,在井下巷道进一步实施试验验证。设计软件已经在潞安矿区得到广泛应用,显著提高了支护设计的合理性和速度,减轻了工程技术人员的设计工作量。

2.3 锚杆支护材料

锚杆支护材料的力学特性显著控制着锚杆支护效果。它直接关系锚杆支护成功与否,关系着巷道支护成本和矿井的经济效益。

(1)高强度锚杆支护材料。经过近几年的研究和试验,人们逐步认识到高强度锚杆支护材料的重要性。目前我国已经能够轧制无纵筋左旋螺纹钢锚杆,并采用优质钢材或经中频调质,达到高强度和超高强度级别。直径为22 mm的超高强度锚杆杆体的极限载荷高达340 kN,比以前采用的普通杆体强度提高了2～3倍。

(2)树脂锚固剂。树脂锚固剂为高分子材料。由于其黏结强度大,固化时间快,安全可靠性高,已广泛应用于煤巷锚杆支护。我国在树脂锚固剂配方改进和生产技术方面做了大量工作,现已形成系列产品,主要性能指标均达到国外先进国家的要求。在生产技术方面,开发出小型树脂锚固剂厂成套技术。它投资少,见效快,产量高,满足了现场的需要。

(3)W钢带及其轧制技术。钢带是煤巷锚杆支护中的重要构件。它可将单根锚杆联结起来组成一个整体承载结构,显著提高锚杆支护的整体效果。W型钢带是利用带钢经多组轧辊连续进行冷弯、滚压成型的型钢产品。由于带钢在冷弯成型过程中的硬化效应,可明显提高型钢强度。冷弯成型出材率高(98%),与冲压及热轧型钢相比,可节约钢材10%～30%。根据我国煤矿井下巷道的具体情况,制定了我国矿用W型钢带标准(MT/T861-2000)。可以根据井下巷道的具体条件,选择不同参数的W型钢带。

(4)特种锚杆与锚索支护技术。对于软弱破碎、高地应力、大断面等巷道和硐室,其共同的特点是围岩自稳时间短、破碎范围大、变形强烈。仅采用常规的锚杆支护很难达到有效的支护效果,而且支护和维修费用高,工程量大,有的甚至影响矿井的正常生产。为此,国内已研究开发了注浆锚杆、接长锚杆、小孔径树脂锚索,对解决破碎顶板条件下的煤巷锚杆支护难题提供了有效途径。小孔径锚索的最大特点是采用小直径钻孔和高强度树脂锚固剂,锚索最大锚固长度可达15 m,最大锚固力为260 kN,预紧力可达120～230 kN。锚索安装非常简单,用锚索直接搅拌树脂锚固剂,进行加长锚固,从而使大跨度、复合破碎顶板煤巷锚杆支护成为可能。

2.4 锚杆支护施工机具(www.xing528.com)

在锚杆支护技术中施工机具起着非常重要的作用,它直接影响锚杆施工质量和施工速度。目前,单体锚杆钻机是我国煤矿的主要施工机具,按钻机工作原理可分为旋转式、冲击式和冲击旋转式;按锚杆钻机所用动力可分为液压、电动和风动式。在煤巷中应用比较广泛的是旋转式锚杆钻机。

(1)风动式锚杆钻机。我国已经研制开发了MQT-50C、MQT-55、MQT-130等型号风动锚杆钻机。这类钻机除气马达不同外(分别使用齿轮气马达、叶片气马达、柱塞气马达),其它结构和外形基本相似。风动锚杆钻机的主要优点是动力单一、结构简单、操作方便、质量轻、便于移动。缺点是效率低,需要压风管路等等。

(2)液压式锚杆钻机。我国在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,开发研制了MYT系列、MZ系列、QYM系列等多种液压锚杆钻机。液压锚杆钻机具有动力源集中,施工地点随意性大等特点,但国产钻机还不同程度地存在质量和可靠性问题,需要进一步完善与提高。

(3)电动式锚杆钻机。电动式锚杆钻机以电为动力,不要二次能量转换,设备效率高,是该种锚杆钻机的最大优点。但是,目前的电动锚杆机体积和质量较大,不便于人工移设,使用量呈下降趋势。

从目前现场使用情况分析,风动锚杆钻机使用量大,应用范围广。经过近年来的提高和完善,可靠性和使用寿命都有所提高,故障率降低,基本能够满足钻孔和安装锚杆的要求。此外,为了满足生产要求,开发了风动帮锚杆机,代替煤电钻,以提高帮锚杆的安装质量与速度。开发研制了大功率、大扭矩风动锚索钻机,如MQT85J型锚索钻机,静力失速扭矩达200 N#m,工作扭矩达85 N#m,推进力为915 kN,分别比MQT55型锚杆钻机提高了60%、55%、53%,基本满足了钻装锚索的要求。

2.5 锚杆支护监测仪器与技术

矿压监测是锚杆支护成套技术的一项重要内容。巷道锚杆支护实施后,应对围岩变形状况,锚杆(索)受力分布和大小进行全方位监测,以获支护体和围岩的位置和应力信息,从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性,巷道围岩的稳定程度和安全性,进而根据监测信息修改初始设计,使其逐步趋于合理。

井下监测分为综合监测和日常监测,监测内容主要包括:巷道表面位移、顶板离层、锚杆受力和锚索受力。根据矿压监测要求,开发了多种性能良好的监测仪器。包括LBY型顶板离层指示仪、测量全长锚固锚杆受力分布的测力锚杆以及DW)6型遥测多点位移计等。

2.6 锚杆支护技术在华亭煤矿的应用

华亭煤电股份有限公司华亭煤矿开采华亭煤田10层煤,煤层倾角45 b、平均厚度51151 m,属急倾斜特厚易燃煤层。煤层普氏系数f=1～3,埋藏深度465～514 m,顶板岩性为炭质泥岩和粉砂岩,赋存不稳定,直接顶为砂岩或粉砂岩,易冒落,老顶为粉砂岩及细砂岩;煤层底板为泥质胶结的中、粗砂岩,常具有似鲕状结构。煤层中含有多层炭质泥岩,开切眼和工作面两巷巷道容易底鼓,易片帮顶板垮落,支护难度大。

矿井采用水平分层综采放顶煤开采,平均分层厚度13 m,工作面回风巷距煤层顶板1～3 m,工作面运输巷距煤层底板0～3 m,两巷道均为梯形断面的全煤巷道;工作面回风巷上宽214 m,下宽314 m,高215 m,净断面积7125 m2;工作面运输巷上宽218 m,下宽318 m,高215 m,净断面积8125 m2;开切眼为矩形,宽612 m,高215 m,净断面积1515 m2;501工作面开切眼长度45 m, 502工作面开切眼长度47 m。开切眼以北为井田隔离煤柱,上部为厚度13 m的煤层(分层厚度),煤层上部为采空区。

华亭煤矿松软破碎煤层巷道及开切眼高强度锚杆支护技术研究试验分为2部分:一部分是在408综采工作面南翼回风工作面回风巷、409综采工作面北翼工作面回风巷利用高强度锚杆锚索支护试验,另一部分是在501综采工作面和502综采工作面净宽612 m的大断面开切眼进行支护试验。工作面巷道断面积小,试验时采用一次性掘进、支护成巷,开切眼断面较大,采用分断面两次掘进法,先掘进314 m@215 m的断面,掘进到位后,将掘进机后退回撤,再掘进218 m@215 m的断面,2次掘进形成宽度612 m、高度215 m的大断面开切眼,巷道掘进采用S-100型掘进机。

采用高强度锚杆配合菱形金属网、W钢带、树脂加长锚固支护高压力松软破碎煤层巷道和大断面开切眼,并用小直径预应力锚索加固补强支护,完全满足了巷道和开切眼支护要求。试验巷道从掘进施工到工作面安装、回采,均未发生任何顶板事故,达到了安全生产、提高工效、节支降耗的目的,巷道是安全可靠的。

锚杆支护简化了回采工作面超前支护,省去了架棚巷道的支护材料替回工作,既可保证回采工作面的快速推进,又减少用工和材料消耗。采用锚杆支护减少了运料用工,改善了作业环境,降低了工人劳动强度。高强度锚杆支护,减少了巷道变形量,防止了巷道片帮顶板垮落,消除了巷道煤层自然发火,降低了巷道维护费用和防灭火费用,保证了矿井安全生产。

采用高强度锚杆、锚索配合W钢带、菱形金属网加长锚固支护高压力松软破碎煤层巷道及大断面开切眼,施工工艺简单,安全性好,成本低,工效高,具有良好的经济效益和推广应用价值。

(1)大力开发推广掘锚联合机组。为适应日产万吨级综采工作面快速推进的需要,20世纪90年代初期发达国家研制开发了集快速掘进、锚杆支护为一体的掘锚机械化平行作业装备)))掘锚联合机组。该设备在英、澳等国应用中取得良好效果,在大断面煤巷掘进中年进尺高达15 000～20 000 m。目前掘锚机组在国外已趋成熟并得到了广泛应用。澳大利亚长壁工作面巷道80%以上采用掘锚一体化施工。目前我国已开始掘锚机组的研究开发工作,并针对我国煤巷条件完成了多种技术方案设计。

(2)广泛采用连续采煤机。连续采煤机多巷掘进是美、澳等主要采煤国家长期采用的掘进技术。我国神华集团采用连续采煤机掘进高产高效工作面煤层平巷,取得了极其显著的技术经济效益。2000年大柳塔矿创出年进22 324 m巷道的水平。兖矿集团南屯煤矿也达到了11 000 m/a的水平。连续采煤机掘进的优点突出,采掘合一,推进速度快,产量大,效益好。

同时,在综采工作面生产强度不断增大的情况下,多巷系统是满足工作面通风、运输、行人和设备安设的最佳选择。我国已研制开发了连续采煤机多巷掘进的防爆柴油机胶轮车、连续运输系统等相关配套设备,大功率连续采煤机可望于2004年度研发问世。

(3)全面推广锚杆支护技术。我国煤巷锚杆支护技术与成套装备已基本形成,煤巷锚杆支护技术已在潞安、晋城、兖州、邢台、铁法、开滦等矿区得到广泛应用,从薄及中厚煤层中回采巷道到综采放顶煤工作面沿煤层底板掘进的顶煤巷道,从顶板比较稳定的煤巷到复合破碎顶板巷道,从实体煤巷到沿空掘巷,从小断面巷道到大断面开切眼,锚杆支护的使用范围越来越广,为矿井实现高产高效创造了良好条件,取得了巨大的技术经济效益。加快掘锚联合机组的研制开发和应用,逐步推广连续采煤机多巷掘进技术,推广煤巷围岩(煤)力学测试技术和数值设计技术以继续完善锚杆支护技术,将是我国煤巷快速掘进和支护技术研究和应用的发展方向。

China mechanized roadheader status and bolt support technology in mine seam roadway

WANG Jin-hua
(China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Abstract：The paper introduced the status of mechanized drivage and support technology in China mine seam roadway.The paper fully stated that the rapid drivage andbolt support technology in mine seam roadway are one of the key technologies to build the high efficient and centralized coal mine.The paper pointed the development tendency of the mechanized drivage technology in seam roadway.

Key words：mine seam roadway;rapid drivage;bolt support;roadheader

中图分类号：TD41;TD35316

文献标识码：A

文章编号：0253-2336(2004)01-0006-05

作者简介：王金华(1957-),男,河北故城人,研究员,现任煤炭科学研究总院院长,兼任中国煤炭工业协会副会长、中国煤炭学会副理事长。

收稿日期：2003-06-18;责任编辑:许升阳