大采高工作面连续采煤机掘进工艺研究

晋城煤业集团寺河矿 陈军

大采高工作面连续采煤机掘进工艺研究

晋城煤业集团寺河矿 陈军

连续采煤机于20世纪40年代在欧美出现，成熟于20世纪80年代。最初主要用于房柱式开采和残留煤的回收，现在已成为长壁高效综采工作面准备巷道的主要掘进设备。我国在20世纪90年代以后开始引进，近几年开始自行研制改进。连采掘进技术是以连续采煤机为龙头，掘进与支护平行作业的掘进工艺，掘进时一般采用双巷或三巷掘进。

大采高采煤技术是对厚煤层一次采全高的经济开采方法。山西晋城煤业集团寺河矿先后于2002年和2007年引进了3套连采设备，用于大采高工作面的巷道掘进。

一、4302大采高工作面概况

4302工作面位于寺河矿东四盘区3#煤层中，工作面设计采高为6.2m，工作面走向长2353.53m，倾斜长297.46m，煤层倾角1～14°，平均5°。

1．地质状况。煤层顶、底板。工作面煤层顶、底板多为砂质泥岩，灰黑色、薄层状、均匀层理。直接顶中等稳定，平均厚度6.33m，直接底平均厚度1.39m，老顶为细粒砂岩，平均厚度4.26m，深灰色、中厚层状，以石英为主。老底为细粒砂岩，平均厚度4.47m，灰色、中厚层状、致密，无伪顶。地质构造条件简单。工作面总体呈一向斜构造，向斜轴部靠近工作面切眼段。水文地质。工作面水文地质条件简单，涌水来源主要为上覆砂岩、粉砂岩等弱含水层水，当巷道掘至向斜轴部时，由于锚索钻孔或受临近采面影响，会有少量涌水，预计正常涌水量为lm³/h左右，最大涌水量5 m³/h。瓦斯情况。据临近工作面预测，该工作面瓦斯绝对涌出量为2.l m³/min，对于地质构造附近的媒体，瓦斯涌出异常。

2．巷道布置及技术特征。43022、43023、43024巷为矩形断面，43022、43024巷巷道断面尺寸为3.8m×5.0m，43023巷为4302工作面的顺槽皮带，断面尺寸为3.8m×5.5m。巷道永久支护采用锚网带联合支护并使用锚索补强。锚杆除了靠近采面侧帮上采用Φ18-Μ20-2000圆钢锚杆外，其余地方顶、帮支护均采用高强度螺纹钢锚杆。规格为顶锚杆Φ22-Μ24-2400，帮锚杆Φ22-Μ24-2000，每根锚杆采用K2335、Z2360 2支锚固剂。顶板支护时上钢筋托梁。施工高强度螺纹钢帮锚杆时配套安装W型锚杆钢护板，规格为BHW300mm×280mm×4mm。巷道正常支护时锚索排距3m，每排施工两根锚索，使用1支K2335，2支Z2360锚固剂。巷道布置如图1所示。

图1 巷道布置

二、连续采煤机及配套设备

1．连续采煤机。JOY 12CM27型连采机是一种高产可遥控的连续采煤机，适用于厚煤层。该机截割滚筒直径为 1 367mm，截割宽度 3 505mm，最大采高为 5 000mm。它还装有一台宽 940mm、运行速度 2.44m/s、并配有装载耙爪 （收集头）的刮板机。12CM27型连采机的截割头由两台带限矩保护的交流电机驱动，两台电机平行于截割臂中心线安装。每台电机均通过内置扭矩轴同齿轮箱的齿轮啮合。另外还装有2台收集头电机、2台行走电机、1台油泵电机和1台集尘风机电机。

2．连采设备。连采设备除割煤所用的连续采煤机外，还包括运煤、破碎、运输、支护、清煤的各种设备。如表l所示。

表1 连采设备

三、施工方法及工艺介绍

1．施工工艺流程（加循环流程）。交接班——安全检查——连采机进入已支护好的巷道割、装煤(备料)——梭车运煤——切槽、采垛达循环进度后——连采机转移巷道——锚杆机进入已割好的巷道内进行支护——用锚杆机的临时支臂进行临时支护——支护完后转移巷道——接风筒，清理浮煤——自检验收。如图2所示。

图2 连续采煤机掘进施工顺序

2．施工方法。

（1）落煤。采用美国JOY公司制造的12CM27-11E型连续采煤机落煤，循环方式为多循环，循环进度为5～10m。割煤分为“切槽”和“采垛”两个工序，机组采用阶梯式的前移方式，每次完成循环进度后保证留有2.5m的台阶。割煤时，在巷道一侧，先将截割头调整到巷道顶板，截割头沿顶板切入煤体，切入深度达要求后，逐渐调整截割头高度，截割头由上而下切割煤体，到达底板后，机组稍向后移，割平底板，然后调机割另一侧如图3所示。

图3 切槽采垛工序

（2）装、运煤。连续采煤机将割落的煤装入梭车，由梭车运至破碎机（另一台梭车备用）。破碎机将破碎后的煤转载到皮带运输机，最后由刮板输送机转载到东四盘区运煤系统。

（3）支护。连采机割完煤以后由ST-3.5S瓦格纳铲车清煤，然后用AR02E00-2250-WT-M双臂锚杆钻机支护巷道。第一，临时支护。联好网后，采用双臂锚杆机上的临时支臂进行临时支护顶板。要求支臂密贴顶板，具有一定的初撑力。第二，永久支护采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强的支护方法。支护时，采用双臂锚杆机支护顶锚杆及锚索，MQS一(25)、(35)型风钻支护帮锚杆。永久支护距工作面迎头的最大距离不大于12m，由于受锚杆机钻臂及施工影响，帮锚杆滞后顶锚杆3m施工，但一个循环后，帮锚杆必须紧跟顶锚杆。

四、问题探讨

1．连采机在使用中的问题可以概括为工艺问题和管理问题。

（1）由于支护工艺比较复杂，连续采煤机的效率不能完全发挥，最大空顶距的确定是一个难题。如果最大空顶距确定得小，就发挥不了连采机高产高效的作用，效果与使用AM-50机组差不多；如果最大空顶距确定得过大，既解决不了瓦斯，又不能保证顶板的完好。所以，在确定最大空顶距时，一定要根据地质情况，尤其是现场操作时，更要严格把握关键点。

（2）“切槽”深度大于5m时，从总体上看，虽然少调了几次机组，但一方面，若机组开关箱内发生故障，由于其已进入煤壁和空顶下，故给设备处理带来一定的困难；另一方面，在寺河的地质条件下，由于支护工作跟不上，在两巷平行掘进时，放大最大空顶距没有意义。若最大空顶距定为5m左右，有利于机组维护，主要是在“切槽”之后，可以及时观察顶板和进行支护，有利于顶板管理。

（3）按照设计要求，顶、帮锚杆必须同时施工。由于锚杆机的特点，帮锚杆必须滞后一定的距离，这在地质条件好的情况下是可以考虑的。在正常情况下，帮锚杆滞后的距离越短越好，并且要加强两帮的找掉工作。

（4）寺河矿现有各工作面巷道间的横川均为直横川，在连采机施工时，由于梭车来回运输，直横川给梭车的拐弯和速度带来了困难，影响梭车运煤和连采机连续装煤。能否在以后的设计中，将直横川改为斜横川(30°或45°)，既可解决连采机在施工横川时拐直弯的困难，又利于梭车运煤，提高运输速度，同时，还可大大提高连采机连续割煤、连续装煤的整体效益(斜横川长度加长的工作量和直横川磨角的工作量基本相当)。

2．应用新型支护材料。

（1）采用玻璃钢锚杆。玻璃钢锚杆的优势在于耐腐蚀、可切割。高强度玻璃钢锚杆、非金属梯子梁等支护构件的实践效果良好，对保护采煤机截齿和皮带、防止瓦斯爆炸以及工作面快速推进起到了一定的作用。

（2）针对在涌(含)水量大的钻孔内锚固剂锚固困难、锚固效果差等问题，现场使用了新型亲水锚固剂。亲水锚固剂不仅解决了这些问题，而且加快了含水层中安设锚杆、锚索的速度。

3．推行工序管理，提高作业效率。

（1）合理使用超前锚杆支护空顶。连采机割煤后，如果巷道顶板破碎成形不好，必然给锚杆支护带来困难。因此，要合理使用超前锚杆支护空顶。

（2）合理确定帮部锚杆滞后顶部锚杆的方式巷道不处于构造异常区域，遇到围岩稳定、无片帮现象时，帮部锚杆滞后顶部锚杆进行安装，可以增加工序平行作业，加快施工进度。

（3）科学确定空顶距和循环进度。

随着技术的不断发展，机械化装备程度不断提高，人员素质及管理水平也必须与之相适应。笔者深信在不久的将来国产连续采煤机及其相关的配套设备工艺必将得到推广应用，为大型矿井提高综采的生产准备水平和中型矿井实现高产高效做出巨大贡献。