机载锚杆钻机巷道支护技术应用

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摘要：针对掘锚机配套侧帮锚杆钻机施工巷道两帮上排锚杆孔角度较大及掘进时工作面粉尘浓度较大的问题，在掘锚机顶部平台加装机载锚杆钻机，代替人工完成巷道两帮上排锚杆孔施工，同时可以实现掘进面迎头煤层注水孔施工。通过在保德煤矿８１３０９回撤通道掘进面的现场工业性试验表明，ＭＪＺ－４００／３００Ｅ型机载锚杆钻机结构尺寸小，与掘锚机配套适用性强，可实现多角度钻孔施工，降低了工人的劳动强度，改善了掘进面的生产环境。

关键词：掘锚机；机载锚杆钻机；锚杆钻孔；煤层注水孔

我国９０％以上煤矿生产属于井工开采，巷道掘进作为煤炭开采的先行工序，是煤矿安全开采的前提。近年来，随着掘进装备的不断发展和锚杆支护技术的推广应用，快速掘锚技术已成为建设高产高效矿井的关键［１，２］。目前，神东保德煤矿采用的是掘锚机组掘进工艺，主要的配套设备由掘锚机、梭车、破碎机和带式输送机组成，由掘锚机完成落煤、装煤和支护工序［３－５］。由于掘锚机两侧配套侧帮锚杆钻机仅能完成巷道两帮四排锚杆孔中的中间两排锚杆孔施工，最上排锚杆孔由人工手持风动钻机来施工，造成辅助作业时间长、作业环境差、占用人员多、工人劳动强度大、掘进效率低等［６－８］。此外，在煤矿开采过程中，几乎各道工序都会产生粉尘。尤其是针对高产、高效的机械水平较高的采掘工艺，工作面空气粉尘污染十分严重，其产尘量占全矿井的８５％以上［９，１０］。煤矿粉尘存在的危害主要有：①粉尘的爆炸危害，煤矿井下作业环境相对比较封闭，在狭小的空间内如果空气中的粉尘浓度超过一定比例后就容易发生爆炸，１９４９—２０１８年全国煤矿发生的２５起死亡百人以上特大事故中，有１４起为粉尘爆炸事故或瓦斯爆炸事故，粉尘爆炸后果严重；②粉尘的职业健康危害，粉尘是煤矿安全生产过程中最主要的职业危害，工人长期吸入较高浓度呼吸性粉尘可导致尘肺病的发生，我国煤矿工人尘肺病发病、致死情况十分严重，截至２０１８年，我国累计报告职业病病例９７.６万例，煤炭行业尘肺病占尘肺病的５０％左右［１１，１２］。目前国内掘进面防降尘主要采用除尘风机、掘进机内、外喷雾的被动方式［１３－１５］，而除尘风机由于体积大、成本高、维修难度大，使用受到了一定的限制，掘进机内喷雾方式由于技术难题，常常堵塞，外喷雾雾化由于疏水性粉尘难以被湿润，效果也不太好，在水压不足的情况下，不仅会影响粉尘防治效果，还会导致掘进工作面发生积水问题，因而降尘难度大［１６－１８］。纵观各类除尘方法，煤层注水工艺具有降尘明显等诸多优点，但通常选用钻机与掘锚机交替施工，成本高、效率低。因此，引入ＭＪＺ－４００／３００Ｅ型机载锚杆钻机（以下简称钻机），代替人工完成巷道两帮上排锚杆孔施工，同时实现掘进面迎头煤层注水孔的施工。

１钻机的结构组成

该钻机是一款为掘锚机配套使用的机载锚杆钻机，不仅可以完成巷道两帮帮锚杆支护作业，也可以完成掘进工作面煤层注水孔的施工。钻机可安装于本体设备上进行施工，不影响本体设备的使用。钻机的主要性能参数见表１。钻机结构尺寸小，与掘锚机配套适用性强，可实现多角度钻孔施工，主要由调角装置、给进装置、夹持器、回转器和接管板等组成。在调角油缸的作用下，可以实现主轴倾角０°～１０°的调节，在回转减速器的作用下，可以实现方位角－９０°～９０°的调节。钻机工作所用的动力液由掘锚机的液压系统提供，在调角油缸的控制回路中设有平衡阀，保证钻机的工作安全性，在回转减速器的控制回路中设置有液压锁，保证钻机的工作稳定性。

２锚杆支护及掘进面煤层注水技术方案

２.１巷道两帮上排锚杆支护总体方案

保德煤矿８１３０９回撤通道掘进面的巷高为３８００ｍｍ，采用“四排矩形”布置方式，最上排帮锚杆距顶板为２００～３００ｍｍ，锚杆间排距为９００ｍｍ×１０００ｍｍ。使用２８００ｍｍ×１２００ｍｍ及１２００ｍｍ×１００００ｍｍ的金属网（片帮严重时使用３２００ｍｍ×１２００ｍｍ的金属网及１２００ｍｍ×１００００ｍｍ的金属网），选用⌀１８ｍｍ×２１００ｍｍ的圆钢锚杆、８ｍｍ×１４０ｍｍ×３００ｍｍΩ托盘。保德煤矿８１３０９回撤通道掘进面断面支护结构如图１所示。

２.２掘进面迎头煤层注水总体方案

按照保德矿８１３０９回撤通道掘进面日掘进循环及煤层注水降尘需求，在掘进迎头布置３个煤层注水孔，孔深２２ｍ，孔径⌀４２ｍｍ，３个煤层注水孔水平布置，均垂直距离巷道顶板约０.７ｍ，２号煤层注水孔布水平布置在巷道中线上，１号煤层注水孔左偏２号煤层注水孔约０.６ｍ，３号煤层注水孔右偏２号煤层注水孔约０.６ｍ。为了便于钻进施工时出渣、抽取钻杆，３个煤层注水孔均沿水平方向向上偏移５°。３个煤层注水孔布置方案如图２所示。

３现场工业性试验

３.１巷道两帮上排锚杆支护施工工艺

巷道两帮锚杆的支护工艺为：铺网—钻孔—安装锚杆—紧固锚杆。开始支护帮锚杆时，首先掘锚机上面的支护工将帮网展开，铺到煤帮上，将帮网与顶网先用几道铁丝固定住，支护工利用掘锚机自带的侧帮锚杆钻机及顶部平台安装的上机载锚杆钻机同时支护帮锚杆，将网片搭接处压实；巷道两帮上排锚杆支护的钻孔使用安装在掘锚机顶部平台的钻机，其可以实现方位角－９０°～９０°的调节，通过调节回转减速器及调角油缸精确定位给进点。钻孔施工完成后，取规定数量的树脂药卷放入孔内，然后用锚杆顶住药卷穿入孔内，将锚杆放入搅拌器，将动力头伸出，直至锚杆底部到达孔口约２０ｍｍ处，转动搅拌器，搅拌树脂，时间为８～１２ｓ，然后安装锚杆将托盘紧贴侧帮，树脂药卷的凝胶时间为８～２５ｓ，并等待１０～３０ｓ；待树脂凝固后，操作动力头回转手柄，紧固锚杆，直至锚杆达到规定的锚固力及扭矩，必要时采取二次紧固，如紧固过程中锚杆失效，应立即进行补打锚杆。

３.２掘进面迎头煤层注水施工工艺

掘进面迎头煤层注水的施工工艺为：掘进—钻孔—封孔—注水。煤层注水孔也使用安装在掘锚机顶部平台的钻机，通过调节回转减速器及调角油缸精确定位给进点。为保持与锚杆支护的钻具匹配，钻杆采用锚杆支护通用Ｂ１９金属钻杆，钻头为⌀４２ｍｍ煤钻头。煤层注水孔施工完成后，进行煤层注水施工工序：由通风队安装钻孔注水封孔器并连接配套控制阀门、胶管等，利用注水孔进行注水；注水过程中适当对控制阀门进行调节，煤层注水流量不宜过大，小流量对煤层湿润效果更好，注水结束后由掘锚队负责拆除注水设备并现场保存，方便下次使用；掘进工作面每推进２０ｍ，实验室对工作面煤层含水量测定一次，打钻取样深度为１０ｍ，要求注水后煤体含水量不小于４％；最后由通风队瓦检员负责做好注水相关记录，并由测尘员做好煤层注水前后的粉尘测定和数据对比工作。

３.３试验效果

巷道两帮上排锚杆支护。钻机在保德煤矿８１３０９回撤通道进行了现场工业性试验。共施工钻孔１１０个，其中巷道两帮上排锚杆孔１０６个，煤层注水孔４个，最大孔深３０ｍ。钻机每班施工钻孔情况见表２。通过现场统计表明，使用钻机较人工使用手持钻机进行巷道两帮上排锚杆孔施工，作业人数由２人减为１人，完成巷道两帮上排锚杆支护的平均作业时间由原来的２５ｍｉｎ降为１５ｍｉｎ，同时钻机施工较人工进行锚杆支护的成排、成行效果更好。掘进面迎头煤层注水施工。煤层注水试验期间，除掘进面迎头煤层注水外，没有采取煤机外喷雾、除尘风机、回风流降尘喷雾等其他除尘措施，煤层注水前后粉尘浓度对比情况见表３。由表３可知，８１３０９回撤通道掘进面迎头煤层注水前后其掘进迎头全尘和呼尘的最大降尘率分别为２６.６３％和４１.２８％，掘进面粉尘浓度得到了较大程度的降低，特别是对降低呼吸性粉尘有明显效果。

４结论

１）钻机结构尺寸小，与掘锚机配套适用性强，可实现多角度钻孔施工，可满足巷道两帮锚杆支护和掘进迎头煤层注水孔等多功能施工需求，改善掘进面工作环境。２）使用钻机施工巷道两帮上排锚杆孔较人工手持气动钻机施工效率提高４０％，极大地降低了工人的劳动强度。３）钻机的最大扭矩为４００Ｎ·ｍ，可以提供较大预紧力，锚杆支护成排、成行效果好，锚杆支护一次性施工合格率提高了５％。

作者:阮进林 李旺年 钟自成 单位:国能神东煤炭集团有限责任公司 中煤科工集团西安研究院有限公司