煤矿高效掘进技术现状与发展趋势

煤矿高效掘进技术现状与发展趋势摘要介绍了我国煤矿高效掘进与支护技术的现状，针对不同煤－岩类型的巷道掘进技术进行了详细分析，分析了我国煤矿主要掘进设备与国外存在的差距，指出了煤矿高效掘进技术的发展趋势。关键词高效掘进掘进设备掘进技术锚杆支护我国煤炭开采以井工为主，2005年国有重点煤矿90.72％的原煤产量来自井工开采。我国煤层赋存条件复杂，呈现多样性，煤层厚度从零点几米到几十米之间变化，为了开采煤炭，需要开掘大量的煤岩巷道。2005年原国有重点煤矿掘进总进尺7464.6km，其中煤巷和半煤岩进尺约6311.4km，占84.6％。2005年原国有重点煤矿综采机械化程度为75.79％，而综掘机械化程度为25.87％（综掘进尺1931.4km），综掘的发展远远滞后于综采。目前为保证原国有重点煤矿1402个采煤工作面的正常生产接替，共配套了3986个掘进工作面（其中开拓工作面1038个），回采与掘进工作面的比例是1:3，为了实现采掘机械化的同步发展，满足当前500多个综采工作面的需要，综掘机械化程度应达到50％以上。同时，随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。一、高效掘进与支护技术现状（一）煤巷高效掘进技术20世纪80年代以来，我国对矿井设计进行了改革，取消了岩石集中巷布置方式，将开拓巷道和采准巷道布置在煤层中，增加了煤巷在井巷工程中的比例。目前，煤矿掘进巷道中大量的是煤巷，约占总掘进巷道工程量的70％左右。我国煤巷高效掘进方式主要有3种：第1种是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机，它适应范围广；第2种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，在我国神东、万利等矿区及鄂尔多斯地区进行了推广应用，主要掘进机械为连续采煤机，它需要多巷掘进，交叉换位施工；第3种是掘锚机组掘锚一体化掘进，仅在一些矿区进行了使用，目前处于试验阶段。1.煤巷综合机械化掘进煤巷综合机械化掘进由悬臂式掘进机、转载机、可伸缩带式输送机（或刮板输送机）、单体锚杆钻机、通风除尘设备及供电系统等设备组成。悬臂式掘进机是煤巷综合机械化掘进的关键设备，掘进机的性能对于提高掘进工效和掘进进尺具有重要作用。我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以30～50kW的小功率掘进机为主，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，我国引进了AM50型、S-100型掘进机两种为代表的机型，对发展我国综掘机械化起到了推动作用。同时，国内加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，初步形成系列化产品，基本能够满足国内市场的需求。我国现用煤巷悬臂式掘进机主要技术性能参数见表1。表1我国煤巷悬臂式掘进机主要技术性能技术参数AM50S-100EBJ-120TPEBZ160TYS150JELMB-75CEBJ-160SH断面/㎡6～188～238～189～219～236～178～24可截割硬度/MPa60706080807080～100机重/t26.8273651.544.623.453总功率/kW174145190250205130314截割11012016015075160功率/kW000/80适应坡度/（°）16161616161616系统压力/MPa16161623161616外形尺寸/m×m×m7.5×2.1×1.6512.2×2.8×1.88.6×2.1×1.559.8×2.55×1.79.0×2.8×1.88.22×2.5×1.5610.8×2.7×1.5生产厂家淮南佳木斯太原分院太原分院佳木斯南京晨光上海分院AM50型、S-100型掘进机均为国外20世纪70年代的产品，设备功率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用。近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP型掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平，正在推广应用。EBJ-120TP型掘进机于2002年通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，2003年获中国煤炭工业科技进步特等奖，2004年获国家科技进步二等奖，目前已应用500多台。我国研制的新一代煤巷掘进机具有以下技术特点：1)整机结构紧凑、设计合理；2)机身矮、重心低、工作稳定性好；3)生产能力大、破岩能力强、适应性好；4)采用液压马达直接驱动装载机构，结构简单，工作稳定，可靠性高，减少了维护量；5)采用无支重轮履带行走机构和履带导向轮黄油缸张紧装置，提高了履带行走机构的可靠性；6)液压系统简单可靠，增设了自动加油装置，提高了液压系统的可靠性；7)电气系统采用了PLC控制，具有工矿检测和故障诊断功能。近几年，国产掘进机在煤巷掘进中取得了较好的成绩，实际年进尺可达6000～8000m，基本满足了煤巷高效掘进的需要。2004年潞安矿业集团常村煤矿综掘一队采用EBJ-120TP型掘进机，在大断面煤巷掘进中创月进680m的好成绩。2005年金峰集团寸草塔煤矿使用EBJ-120TP型掘进机最高日进尺为72m,月进尺905m。2005年鄂尔多斯宏景塔矿使用EBJ-120TP型掘进机日进尺达到了40m。悬臂式掘进机在我国重点煤矿已普遍使用，发挥了重要作用。但由于是单巷掘进，且采用单体锚杆进行锚杆支护，掘进和支护不能平行作业，影响了掘进速度的进一步提高。2.大断面煤巷连续采煤机高效掘进连续采煤机是一种具有较大截割宽度的集落煤、装运及行走为一体的综合机械化掘采设备，在国外广泛应用于矩形断面的双巷或多巷快速掘进，以及短壁开采，已成为现代高产高效矿井的重要设备。我国引进连续采煤机始于1979年，迄今为止大体经历了单机和成套设备引进两个阶段。目前我国神东公司、晋城煤业、万利公司、晋神公司、鲁能集团、伊东公司及伊泰公司等矿区使用连续采煤机近60余台，用于大断面煤巷的掘进和短壁开采。连续采煤机掘进工作面设备配置按工作面运输方式一般分为两种：一种是间断式运输方式，工作面配置为连续采煤机、运煤车或梭车、给料破碎机、锚杆钻车、铲车及胶带输送机；另一种是连续运输方式，工作面配置为连续采煤机、锚杆钻车、连续运输系统、铲车及胶带输送机。连续采煤机在大断面煤巷掘进时，连续采煤机与锚杆钻车采用交叉换位作业方式，如图1所示，连续采煤机在运输巷道掘进的同时，锚杆钻车正在回风巷道进行锚杆支护作业，当连续采煤机完成一个掘进循环时，与锚杆钻车交换位置。为满足机器调动和运输的要求，两条巷道之间每隔50m掘一条联络巷。图1连续采煤机双巷掘进我国神东矿区使用连续采煤机进行煤巷掘进取得了较好的成绩，平均月进尺在2000m以上，并创造了多项全国纪录，为高产高效矿井生产准备提供了最佳技术途径。2005年神东公司榆家梁煤矿采用四个连采队，全年完成掘进进尺63368m，其中月进尺最高达7802m，为全国之冠。2004年神东公司上湾矿连采二队使用12CM27-11D型连续采煤机，掘进断面6m×4.4m,创日进尺163m，双巷掘进月进尺3070m。2003年神东公司上湾矿连采一队使用单机三巷掘进，完成月进尺4656m，创全国掘进纪录。除神东矿区外，在地质条件复杂的宁煤集团羊场湾使用连续采煤机煤巷掘进，最高月进尺达40m，月进尺1000m。在我国连续采煤机实现煤巷高效掘进的使用经验表明，连续采煤机用于长壁工作面顺槽双巷及三巷掘进，完全可以满足高产高效综采工作面月推进速度的要求，而且掘进成本比采用悬臂式掘进机（如S100）降低160元/m。但由于需要较好的煤层赋存条件，不能实现单巷掘进，连续采煤机用于煤巷掘进具有一定条件限制。国内连续采煤机的研制工作正在进行中。3.掘锚机组掘锚一体化掘进为了实现煤巷快速高效掘进，适应锚杆支护技术的快速发展，世界主要采煤国的快速掘进装备在不断的发展，掘锚机组是适用于高产高效矿井煤巷高效掘进的掘锚一体化设备，是在连续采煤机或悬臂式掘进机的基础上发展的一种新型掘进机型。掘锚机组是将掘进与支护有机地组合起来，减少掘进与支护设备的换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺。目前，掘锚机组主要两种：一种是以连续采煤机为基础的掘锚机组；另一种是悬臂式掘进机机载锚杆机的掘锚机。1)掘锚机组。掘锚机组在我国的应用还处于试验阶段，目前国内已有8台掘锚机组，其中7台ABM20掘锚机组和1台12CM15-15DDVG掘锚机组。掘锚机组按作业方式划分可化为两类：一类是同时实现掘锚作业的掘锚机组；另一类是先截割后支护的掘锚机组。ABM20掘锚机组为第一类，12CM15-15DDVG掘锚机组为第二类。ABM20掘锚机组是掘锚机组的典型代表，其作业方式是截煤和安装锚杆同时平行作业，即割煤滚筒联同装载运输机构整体向前推进割煤，与此同时，锚杆钻机则与发生履带主机架停在原位固定，锚杆钻机向顶板的侧帮打眼安装锚杆。随后，行走机构带着机体及锚杆机向前移动，完成一个掘进循环。2003年晋城煤业集团引进一台ABM20掘锚机组，在成庄矿四盘区4214巷道进行了试验，巷道断面为4.9m×3.3m。2004年1月开始试验，2月份掘进进尺为251m，3月份进尺为402m，4月份进尺550m。试验期间最高班进尺为12m，最高日进尺为30.4m，该套设备具备了月进900m的生产能力。2003年神东公司引进一台JOY12CM15-15DDVG型掘锚机组，在乌兰木伦矿3-1煤63112运输巷和63114回风巷的掘进工作面使用。2巷道断面形状均为矩形，其中63112运输巷断面5.4m×3.4m。掘进作业时，掘进循环1.2m，当顶板完整，顶煤厚度在500mm以上时，循环进尺可放宽为12m，工作面最大空顶距为14.89m。月掘进进尺1200m，锚杆支护数量4020套。生产小班最少进尺为26m，日进尺最高为45m。2005年兖州煤业集团公司鲍店煤矿使用ABM20S型掘锚机组最高班进尺21m、日进尺53m、月进尺1100m（巷道断面为4.9m×3.2m）；山西鲁能电煤公司上榆泉煤矿使用ABM20型掘锚机组创出了月进1388m(巷道断面17.5m2)的国内使用掘锚机组的最好成绩。掘锚机组在我国的试验取得了初步的成功，但掘进进尺还有待进一步提高。由于机器庞大，对巷道条件要求高，适应范围较小。国内掘锚机组的研制工作正在进行中。2）悬臂式掘进机机载锚杆钻机。煤巷掘进过程中，掘进机掘进与巷道顶板支护之间的矛盾一直未能很好的解决，尤其是巷道采用锚杆支护后，支护时间所占比重过大，使得这一矛盾尤为突出。我国曾在掘进机上机载锚杆钻机的研究上作了一些有益的尝试，相继研制了与AM-50型号和S100型掘进机配套的机载锚杆钻机，同时在20世纪末也引进了带有多台锚杆机的英国LH1300H型掘进机和日本MRH-S220型掘进机。但这种“机载锚杆机”与国外掘锚机组有相当大的区别，因为悬臂式掘进机在设计时未考虑锚杆机配置问题。锚杆钻机在掘进机上的安装位置见图2所示。图2掘进机机载锚杆钻机综上所述，连续采煤机及掘锚机组适用于适合锚杆支护的煤巷高效掘进。在这类巷道条件下，连续采煤机及掘锚机组能够发挥其优势，具有成巷速度快、掘进工效高、巷道成型好、工人劳动强度低等优点，特别是大断面煤巷掘进优点更为突出。（二）半煤岩巷高效掘进技术我国煤矿除煤巷外还有大量的半煤岩巷道需要掘进，主要为薄煤层以及2.0m以下中厚煤层巷道，约占总掘进工程量的20％左右。半煤岩巷道是指在掘进断面中，岩石面积占断面面积的20％～80％的巷道。我国重点煤矿半煤岩巷的掘进基本上采用半煤岩悬臂式掘进机机械化作业线，半煤岩掘