快速掘进装备九臂掘锚一体机的研究与应用

刘 伟

（晋能控股煤业集团机电管理分公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤矿综采效率的提升，造成了采掘平衡的失调，使得巷道掘进速度成为煤矿高效生产的关键性环节。据统计，巷道掘进作业中的支护时间要占总作业时间的70%。为进一步提高掘进效率，对现有掘锚一体机装备的升级改造、创新势在必行。在应用EJM2×170六臂掘锚一体机的实践经验基础上，解决锚杆机位置固定、对孔困难、不能进行探放水作业等问题，克服顶板破碎、片帮严重等矛盾，开发适应集团公司石炭系复杂地质条件九臂掘锚一体机，每循环工序减少1/2，对比改造前掘进效率提升1.5 倍，实现了装备水平的突破[1]。

1 工程概况

某矿井主采石炭系3～5 号煤层合并层，厚度为8.36～29.21 m，平均厚度17.52 m，煤层原始瓦斯含量为1.558～3.232 m3/t，瓦斯压力为0.090～0.245 MPa，透气性系数为1.108×10-4～1.328×10-4m2/（MPa2·d）。矿井相对瓦斯涌出量2.5 m3/t，绝对瓦斯涌出量71.3～115.27 m3/min。

九臂掘锚一体机在一盘区回风巷试验使用，煤层厚度12～14 m，平均厚度13 m，含2～5 层夹矸。沿地板掘进，巷道断面尺寸为6.24 m×4.32 m，断面积为27 m2，运输顺槽设计长度为1835 m。为加快巷道掘进速度、减少支护及辅助作业时间，采用该机进行巷道掘进作业。

2 掘锚一体机适应分析及改进内容

2.1 掘锚一体机适应性分析

通过集团公司应用及查阅资料发现，掘锚一体机在我国许多地质条件较好的矿区应用广泛，取得了突出成绩，在复杂地质的矿区未取得突破性的研究成果，使得其可以被广泛推广。本次试验巷道为石炭系复杂地质大断面煤巷掘进，围岩岩性软、顶板压力大，易漏顶片帮。在实际应用时，需针对矿井实际条件，对掘锚一体机进行优化改造[2]。

2.2 掘锚一体机改进

九臂掘锚一体机主要对锚固系统、截割与铲运方面进行改造，增加超前探装置、侧支撑等装置，如图1所示。

图1 九臂掘锚一体机结构

2.2.1 锚固系统

锚杆机群的布置采用三排4-3-2 方式：具有操作平台，增大作业空间；每台单独控制，一机多孔；多台锚杆钻机可同时作业，以减少支护时间[3]。

2.2.1.1 首排锚杆钻机

1）首排为4 台，采用左二右二对称布置方式，4台锚杆钻机都具备前后摆动与左右摆动的功能，前摆满足顶板破碎情况的及时支护，减小空顶距。外侧锚杆钻机能够左右平移完成不同排距的锚杆锚固，满足垂直锚固要求。内侧的锚杆钻机具有上下滑动、180°旋转功能，既能够锚固顶板的锚杆与锚索，也能满足锚固侧帮的锚杆与角锚杆，做到及时支护，缩小空帮距，避免片帮的产生。第一排打顶和侧帮未滑移及滑移后示意图，如图2 所示。

图2 第一排打顶和侧帮未滑移及滑移后示意图（单位：mm）

2）4 台锚杆钻机差动使用，其中两台支护顶板完成锚网、钢带拖起，其余两台进行锚固，降低工人的劳动强度。

2.2.1.2 第二排锚杆钻机

1）次排锚杆钻机布置3 台，左右各1 台，中间1 台。中间锚杆钻机具备补打中间锚杆、锚固锚索功能，解决了改造前人工补打中间锚杆、锚索问题。左右布置2 台锚杆钻机的具备旋转功能，通过旋转实现锚固顶板、侧帮；具有前后160 mm 调整间距，控制锚杆方便快速钢带对孔、找正；具备上下滑移功能，调整锚固侧帮锚固距离，保证锚固的锚杆与巷道侧帮垂直，保证最大的支护力。第二排打顶和侧帮示意图，如图3所示。

图3 第二排打顶和侧帮示意图（单位：mm）

2）巷道条件良好可以同时与首排锚固顶板与侧帮，地质条件复杂可以同时与首排锚固侧帮，间接地实现平行作业、及时锚固，减少片帮现象的发生。

2.2.1.3 第三排锚杆钻机

1）第三排锚杆钻机布置2 台，左右各1 台锚固底部侧帮锚杆。具备旋转功能，工作时旋转到指定位置进行锚固，截割与往前方运送物料时竖直收起，保证人行通道的通过距离。第三排打侧帮示意图，如图4所示。

图4 最后排打侧帮示意图（单位：mm）

2）改造前不具备侧帮底部机械锚固的功能，都是人工补打，改造后提高了设备的机械化水平，降低了劳动强度。

2.2.2 改进原有截割与铲运技术

1）适当增截齿，采用硬岩截齿，增强破岩能力。

2）采用现有截割技术，左右伸缩300 mm，便于退机。

3）铲板采用升降形式，便于清理浮煤。

4）挡煤板加固与加装挡煤块，减少浮煤。

2.2.3 增加超前探装置

1）在截割臂上增加探水钻，满足一次探100 m 的要求。

2）能够左右旋转，利用刻度盘进行调整，满足前探要求。

2.2.4 增加侧支撑

1）左右履带前后设置支撑装置，能够调整设备的左右姿态。

2）遇到复杂地质条件，通过提升履带的高度，从而铺设防滑物，达到设备脱离沉陷的目的。

3 九臂掘锚一体机创新点

1）优化支护钻机：新增3 台支护钻机，1 台专打顶中眼、2 台专打帮底杆，9 台钻机底部增加滑座，可左右、前后平移，实现快速对孔；第一排钻机还能向前倾斜45°，对顶板进行临时支护。钻机增加升降和旋转机构，实现大范围、多角度作业，可支护顶、帮和组合锚索。多台钻机可实现平行作业，钻机最大输出扭矩可达400 N·m，锚杆可一次性预紧达标，无须人工二次紧固，缩短支护时间，减轻劳动强度，提高支护效率。

2）满足探水要求：在掘锚机截割臂上增加机载探水钻机，采用大功率液压马达作为动力，实现就地探水作业，摆脱了单一独立探水设备搬运与拆装烦琐问题，操作者可通过上下调整截割臂和钻机水平角度，实现全方位探水，满足“有掘必探”要求，降低工人劳动强度，提高钻探效率。

3）全面优化升级，安全稳定运行：机组一运采用了调速变频器，提升运载性能，解决运输不平衡问题；增加掘锚机调平支撑，解决机身侧倾问题；操作台局部优化，操作、检修更加便捷；加高电控箱台，避免电控箱进水损坏；增加压风供水自救平台，提高安全保障；增加区域照明，工作环境更明亮更安全。

4 掘锚机应用效果分析

4.1 掘进效率总结

该掘进工作面于12 月2 日安装一盘区回风巷60 m 位置，使用九臂掘锚一体机进行掘进，跨年3 月11 日正式掘进完成，巷道施工工期为98 d。

巷道掘进效率总结如下：巷道掘进进尺由12 月的10.8 m/d 增加到19.8 m/d，平均进尺可达15.4 m/d；地质条件复杂条件下，统计一个循环的时间为140 min，进尺两排1.8 m，每日进尺16～17 排，月进尺能够达到460 m；巷道地质条件稳定时，统计一个循环的时间为70 min，进尺两排1.8 m，每日进尺34～35 排，月进尺能够达到600 m；1 月随着巷道地质条件稳定及作业人员对设备熟悉程度的提高，掘进效率提升显著，完成掘进560 m；2 月平均进尺21.6 m/d，最高进尺23 m/d，月进尺604 m，掘进效率显著，九臂掘锚一体机的应用效果较好。

4.2 掘锚机经济效益

通过九臂掘锚一体机在试验巷道的试用，结合普通综掘机巷道掘进工艺人员费用成本，对该机成本分析如下：掘进效率提升1.5 倍，按照单价8000 元/m、年进尺提高2000 m 计算，每年能够创造经济价值1600 万元；每班作业人数减少4 人，按照人均年工资15 万元计算，节约成本60 万元/年；掘进机维护费用降低20%，目前掘进机设备维护费用约300 万元/年，节约成本60 万元/年。九臂掘锚一体机快速掘进装备每年可创造经济效益1720 万元，取得了良好的经济效益。

5 结语

以石炭系复杂地质条件煤矿应用掘锚一体机进行巷道掘进作业为研究背景，研究了九臂掘锚一体机的适应性和应用效果，主要结论如下：为适应复杂地质条件，对掘锚机的液压锚杆组群布置方式、截割铲运技术进行了改进，增加了探侧支撑及超前探装置。通过掘进效率总结和经济效益分析，能够实现截割、支护、锚杆安装同步运行、平行作业，还可降低掘进费用以及不断提高安全程度和改善劳动条件，确定了九臂掘锚一体机在巷道掘进中的显著应用效果。