软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

王 虹 ，李发泉 ，张小峰

（1.中国煤炭科工集团有限公司, 北京 100013；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司, 山西 太原 030006；3.煤矿采掘机械国家工程实验室, 山西 太原 030006）

0 引 言

推动煤炭清洁低碳高效开发利用是贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略的一项重要任务。巷道作为煤炭开采的核心构筑物，担负着运煤、运设备、行人、通风和排水等多种功能，我国每年新掘巷道超13 000 km，其中回采巷道占比达80%[1]，受限于掘进技术装备水平制约，回采巷道掘进成为制约煤炭高效开发的关键环节，主要表现为单进水平低、采掘失衡问题突出。

随着开采深度和强度增大，受冲击地压、深部高应力、强采动等影响，出现了大量膨胀性、高应力和节理化等软弱围岩特性巷道[2]。据统计，软岩巷道约占年掘进总量的30%。该类巷道给掘进施工带来一系列重大风险和挑战，如巷道失稳垮冒增加安全管理难度、巷道冒顶及片帮增加了支护难度、底板松软增加了设备通过难度等问题，这些问题导致单进水平进一步降低，采掘接续紧张问题进一步突出。国内外科研工作者主要对软弱围岩巷道的稳定性控制开展了大量研究，对软弱围岩巷道掘进装备、支护参数与装备的匹配性鲜有研究。

掘锚一体化快速掘进技术是目前世界上煤巷掘进最先进的技术之一，其掘锚平行、全宽截割等技术有效提升了掘进效率和安全水平，我国已经形成适用于稳定围岩、中等稳定围岩条件等掘锚一体化快速掘进技术[3-5]。我国软弱围岩巷道掘锚一体化快速掘进技术尚处于空白阶段，小空顶距即时支护、巷帮稳定性控制、低扰动截割等关键技术尚未完全突破，软弱围岩掘锚一体机及配套装备亟待开发。因此，软弱围岩掘锚一体机快速掘进技术是我国深部及复杂地质条件煤炭开采的迫切需求。

围绕软弱围岩掘锚一体化快速掘进技术，梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状，剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临的难题，凝练了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的关键技术，研发了可控作业空顶距掘锚一体机，并介绍了该装备的试验情况，为软弱围岩掘锚一体化关键技术与装备的发展提供参考。

1 掘锚一体机发展现状与存在问题

1.1 掘锚一体机发展历程与现状

20 世纪80 年代以前，欧洲国家和澳大利亚普遍使用悬臂式掘进机，后为适应锚杆支护发展要求，逐步在机身上安装锚杆钻机，但掘进和支护工作不能平行作业，掘进效率低、开机率低，如日本三井三池MRH-S100、MRH-S220 型悬臂式掘进机等[6]。直至20 世纪90 年代初，山特维克采矿设备公司研制了ABM20 型掘锚一体机，通过可相对滑移的主副机架实现掘锚平行作业，全宽伸缩滚筒截割实现巷道一次成型，设备作业空顶距2.5 m，该设备在我国陕北等围岩条件较稳定的地区取得较理想的应用效果，平均进尺600～800 m/月；因该型机接地比压大，对巷道底板条件要求较高，同时采用全宽截割，围岩扰动较大，且短时间大面积围岩暴露加剧围岩劣化，故该型机鲜有在软弱围岩巷道应用案例。为解决掘锚一体机空顶距适应性问题，小松JOY 公司研制了EJM2×170/4-2 掘锚一体机，采用犁式铲板和叶片式螺旋滚筒装煤方案以降低空顶距，结合全滚筒藏刀工艺将空顶距降低至1.4 m，如图1 所示。该机型因无可靠的临时支护，以及藏刀对顶板稳定性影响较大，导致施工安全风险较大，同时，该装备运输槽过煤高度较低，容易出现“窝煤”问题。

图1 EJM2×170/4-2 掘锚一体机作业空顶距Fig.1 Operation empty top distance of EJM2×170/4-2 bolter miner

我国从2018 年开始研发掘锚一体机技术装备及工艺，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司重点研发了千伏级交流变频牵引调速、前探式临时支护、低比压机身轻量化等掘锚一体机关键技术[7]，有效提高了该设备对软弱底板和破碎顶板的适应性。与国外同领域技术综合相比，我国掘锚一体机快速掘进技术与装备研发处于起步阶段，在装备适应性等方面存在一定优势，但全宽截割、掘锚平行作业等核心技术自主创新能力薄弱。

1.2 软弱围岩掘锚一体化快速掘进面临的难题

软弱围岩掘进环境的复杂性和不确定性，给围岩的稳定性控制、掘进核心装备研制带来重大的风险和挑战，主要包括以下3 个方面:

1）全宽截割对围岩的扰动控制。掘进过程中，巷道围岩体不仅受到煤炭开采的扰动影响，同时还受到截割力的工程扰动。掘锚一体机采用“全宽截割、一次成巷”技术，其对围岩体的力学扰动性强。瞬间揭露出的围岩体空间引起强烈的支撑压力作用，使截割扰动影响的巷道围岩压力远高于原岩应力，从而造成软岩大变形、难支护，其动力响应具有突变性，因此具备较强的冲击破坏性，宏观表现为顶板和两帮的大范围失稳、坍塌[8]；另一方面，掘锚一体机成型断面为矩形，其围岩受力状态较差，易出现受拉区，使巷道围岩受损破坏；同时，肩角应力集中现象加剧了围岩破坏；在降低截割扰动方面，针对大采高巷道掘进，主要采用分层掘进的方式降低截割扰动影响，但对掘进效率影响显著；通过选用自下而上的进刀方式可减少支撑压力突变性，但截割过程中对围岩体的瞬时冲击难以避免。

2）软弱围岩及时高效永久支护。针对软弱围岩巷道，目前主要有锚杆锚索网联合支护、锚网带喷支护、锚注支护、锚杆锚索联合喷混支护、锚网架联合支护等传统支护形式[9-10]和高预应力NPR 耦合支护[11]、高强让压型锚索箱梁支护、煤巷强帮强角支护、纵向量梁复合式支护等支护技术[12]，考虑成本、工艺复杂性等因素，回采巷道主要采用锚杆锚索网联合支护形式。采用掘锚一体机进行回采巷道掘进时，受结构限制，常规掘锚一体机存在约2.5 m 空顶距和4 m空帮距，在软弱围岩条件下该空顶、空帮距易出现大面积片帮、顶板冒落等问题，无法实现高效支护；受到锚索施工时间长影响，导致在较大空帮距的同时，存在长时间空帮问题，片帮问题进一步突出，需要缩短空顶空帮时间，保证在时效自稳区内完成锚杆支护；软弱围岩体锚杆支护主要采用湿式钻孔，受到岩体遇水弱化及其内部裂隙节理发育等因素，存在塌孔、缩颈等问题，普通锚杆无法及时安装，同时围岩体的松散结构进一步降低了锚固力。张辉等[13]采用倒楔形孔底扩孔锚固技术提高了松软煤层的锚杆锚固性能，但因工艺较复杂，难以普遍推广。

3）软弱围岩快速掘进临时支护。临时支护作为永久支护前临时保证围岩稳定性的技术，使巷道形成时效自稳区，为永久支护提供控顶作业保障。目前，掘锚一体机采用临时支护与截割作业同步，在一般稳定围岩条件以上可及时控制顶板初期离层，但针对软弱破碎顶板，临时支护的有效控制面积无法完全覆盖空顶区域，存在“随掘随冒”“肩窝冒落”等问题，增加了永久支护难度。同时，掘锚一体机因缺乏有效的两帮临时支护，无法保障永久支护作业期间内的两帮自稳性。另外，掘锚一体机尚无法实现高初撑力主动临时支护[14]与小空顶距永久支护二者融合设计，目前临时支护初撑力为400～800 kN，无法满足软弱围岩掘进作业期间较大永久支护空顶距作业的控顶要求。

2 软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术

针对软弱围岩掘锚一体化快速掘进的难题和掘锚一体机的研发现状，凝练出以下5 个关键技术。

2.1 低扰动截割技术

针对掘锚一体机掘进对围岩扰动性问题，笔者提出了低扰动截割技术（图2），其技术内涵主要包括以下3 个方面：

图2 低扰动截割技术架构Fig.2 Architecture of low disturbance cutting technology

1）开发椭型全宽截割滚筒，减小断面边缘应力集中。通过研究不同围岩条件下圆角矩形巷道的圆角参数对应力集中系数的影响，优化巷道断面，从而为椭型滚筒设计提供理论依据。

2）研究截齿排布优化技术，降低截割载荷波动，从而减小截割力对围岩的扰动。现场经验表明，软弱围岩掘进时截齿数越低越有利于降低截割扰动。因软弱围岩煤体节理裂隙发育，其要求的单刀力较低，因此，需要在满足煤炭崩落条件下尽可能增大截线距，降低工作截齿数。另外，通过掘锚一体机整机截割振动测试发现，滚筒受到的横向振动最大，纵向振动次之，说明滚筒在两端受到煤体约束情况下，其对两端煤体的扰动也最大，因此，端盘作为两帮煤体的截割刀具，其端盘截齿排布均匀性、齿座与煤壁的间隙均对截割扰动产生重要影响，需要进一步分析研究。最后，选用流线型齿座有利于降低煤体的二次破碎概率，从而降低围岩扰动。

3）研究截割动力学优化技术来降低煤体受到的冲击波。截割过程是截割应力波向煤岩体内部的传递过程，需要掌握截割应力波传递规律，从而评价截割冲击对围岩稳定性的影响。截割冲击不仅受到截割滚筒的结构参数和围岩体的本构参数的影响，还受到滚筒转速、牵引速度、进刀量以及下切力、掏槽力变化的影响，因此，需要通过优化上述参数来实现降低截割冲击的目的。

2.2 减小空顶空帮距的及时支护技术

为解决掘锚一体机在软弱围岩条件的适应性问题，笔者及其团队在掘锚一体化技术基础上，开发了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台技术（图3），该平台可将顶锚、帮锚共计3 部钻机同步向前移动，滑移行程达1.6 m，将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m 降至1 m，通过倾斜支护实现空顶距0.5 m。掘锚一体机具备掘支同步和掘支交替作业模式，满足不同地质条件的快速掘进要求。

图3 多钻机整体滑移平台结构Fig.3 Structure of multi-drilling rig integral sliding platform

滑移平台前部集成2 组支撑油缸式临时支护撑顶，同时下部撑底机构撑底，实现临时支护“顶天立地”；顶锚钻臂可前后左右偏转，同时顶锚钻臂可左右滑移，外侧顶锚钻机可向外摆动90°实现帮锚超前支护，内顶锚钻机可向内滑移至巷道中线，满足巷中锚杆（索）垂直支护要求，同时解决了传统掘锚一体机对顶板锚杆奇数布置设计的适应性难题。临时支护机构集成档矸帘，可随临时支护升降和内顶锚横向移动，防止掘进工作面落煤伤人；针对软弱围岩漏顶问题，滑移平台采用多连杆升降技术，实现顶锚钻机大行程接顶，提高人机工效。

2.3 多维度协同支护技术

随掘过程中围岩稳定性与空顶时间、空顶距密切相关。研究表明，当岩石分类指标Q<0.01 或RMR<20 时，空顶距1 m 的自稳时间仅为30 min 左右[15]。针对软弱围岩巷道，在截割扰动和开采扰动叠加作用下，其围岩体的自稳时间更短，需要在小空顶空帮距前提下提高支护速度，保证在围岩自稳时间内完成永久支护施工。

在锚杆锚索协同支护技术的基础上，笔者结合快速掘进装备自身特点，提出了煤巷多维度协同支护技术（图4）。该技术是综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应，迎头采用低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护，形成“前疏后密，快速推进”协同支护体系[4]。

针对软弱围岩巷道两帮围岩稳定性控制的难题，笔者及其团队开发了上帮钻、下帮钻支护为主、顶钻旋转侧帮支护为辅的三级帮锚协同支护技术（图5），作业空帮距由3.5 m 降至1 m。

图5 三级帮锚协同支护Fig.5 Three-level side anchor collaborative support

如图4 所示，利用掘锚一体机、锚杆转载机的多组钻机实现多排多臂分段平行支护，利用小空顶及时支护技术，掘锚一体机的顶锚杆支护空顶距缩短至1 m，锚杆转载机在距掘进工作面14 m 处实现中间2 根锚杆的补强支护；针对软弱围岩中单独作用的支护构件与其他构件整体协同性弱的问题，为提高帮锚协同性，利用小空帮及时支护技术，掘锚一体机设置顶锚旋转侧帮、上帮钻机和下帮钻机三级帮锚钻机，常规作业循环时，利用上帮钻机和下帮钻机实现上部和中间帮锚杆同步支护，利用锚杆转载机实现底帮锚杆支护，此时上帮最小空帮距为2.6 m；当遇到围岩极剧劣化时，利用顶锚旋转实现侧帮支护，此时上帮空帮距降低为1 m；为降低片帮对帮锚作业的影响，应考虑将锚杆转载机的帮部钻机前移，减小下帮空帮距。

关于锚杆和锚索的协同效应，笔者提出了分区段同步支护方法。软弱围岩揭露初期变形较大，锚索延伸率高易拉断，因此，锚杆支护大部分要求在掘锚一体机锚护区完成，使得在掘进初期锚杆与围岩协同变形，释放一定变形能；锚索支护则在锚杆转载机锚护区完成，此时，围岩剩余变形量低于锚索极限变形，锚杆、锚索与围岩三者的变形趋于一致。因锚索支护时间较长，为实现锚索支护节拍与循环作业节拍一致，需要尽量扩大掘锚一体机和锚杆转载机运输段的重叠搭接范围。

基于锚杆支护动态信息法，掘进过程中通过空心包体应力计、声波多点位移计、锚杆锚索测力计等对围岩的变形、应力状态和支护体的受力状体监测和分析（图6），根据围岩位移收敛量、顶板离层位移与速度、锚杆锚索受力状态，动态调整空间支护顺序、预紧力等支护参数，保证支护强度、提高支护体协同效果。

图6 围岩和支护体监测方法Fig.6 Monitoring method of surrounding rock and support

目前，锚杆锚索组合支护参数主要采用半理论半经验的方法计算，没有考虑锚杆（索）群锚效应的系统计算方法[12]，需要进行大量基础和试验研究，探索出在软弱围岩条件下的协同支护规律。

2.4 钻锚一体化技术

钻锚一体化技术将钻杆和锚杆合一，实现钻孔、锚固一体化，在软弱围岩支护区域能够快速钻孔并一次安装，避免了钻进塌孔问题。

中煤科工开采研究院有限公司开发了钻锚一体化锚杆及其成套施工技术[16]，将传统的锚杆施工6道工序简化为1 道工序，实现“反转打孔→注入锚固剂→正转预紧”一体化自动作业。钻锚一体化锚杆主要由钻头、中空杆体、调心球垫和多功能螺母等组成（图7）。钻头与中空杆体钎焊为一体，为提高锚固力和打孔出渣效果，杆体通长滚压左旋粗螺纹；尾部多功能螺母具有钻进锁紧、密封和预紧功能；AB 锚固剂由专用泵注入杆尾并混合，从钻头处反出进行锚固，AB 锚固剂混合均匀后具有触变性，可克服重力作用附着于孔壁上，实现了免封孔泵注锚固，同时，通过调整锚固剂凝固时间可实现锚固长度调整；钻锚一体化锚杆锚固力达260 kN，满足预应力锚固要求。

图7 钻锚一体化锚杆Fig.7 Bolt with integration of drilling and bolting

钻锚一体化帮锚支护需要一次成孔，故在掘锚一体机上集成布置要求巷道宽度较宽，存在一定局限性，需要进一步探索可接长锚杆等钻锚一体机技术。

2.5 煤帮喷涂临时支护技术

针对掘锚一体机缺少两帮临时支护问题，中煤科工开采研究院有限公司提出了软弱煤帮喷涂临时支护技术[17]（图8）。其主要技术思路是在空帮区通过定量定点分层喷涂高性能薄喷材料来实现两帮临时护表，减少片帮率。

图8 煤帮喷涂技术路线Fig.8 Technology route of coal side spraying

喷涂临时支护关键技术主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。笔者及其团队研发了工作面喷涂材料专用运输车，具备加热、保温、自动加料等功能。

自动喷涂技术作为一项新技术，需要探索其材料制备技术以提高其护表刚度、承载载荷等力学性能，还需要研究粉尘、湿度对其力学性能影响以及材料对职业健康的影响等。针对软弱围岩巷道，其两帮表面平整度低，需要探索帮部表面自动追踪技术，解决帮部表面涂层厚度均匀性的难题。

3 可控作业空顶距掘锚一体机的研制及应用

3.1 设备研制

基于低扰动截割、及时支护、多维度协同支护等技术，笔者及其团队研制了可控作业空顶距掘锚一体机（图9），机载8 部钻机，其中6 部通过滑移平台向前大行程移动，缩短了作业空顶距和空帮距，实现了作业空顶距“可控”，满足了软弱围岩快速掘进需求。

图9 可控作业空顶距掘锚一体机Fig.9 Bolter miner with controllable operation empty roof distance

3.2 工作面地质条件

工业性试验地点选择在陕西澄合西卓矿1509运输巷，长度1 853 m。煤层厚度变化较稳定，煤层平均厚度4.9 m，煤层结构较简单，大多数含1～2 层夹矸，少量含3 层夹矸，局部不含夹矸或含4 层夹矸；煤层上部为砂质泥岩，深灰色，致密，以泥质为主，含有较多砂质，参差状断口，具缓波层理，与下伏岩层明显接触；下部为石英砂岩、粉砂岩。粉砂岩为深灰色、致密，砂质结构，泥质胶结；石英砂岩为浅灰色，致密，主要成分为石英，硅质胶结。

3.3 工艺设计

如图10 所示，巷道断面5.2 m×4.45 m，支护参数：顶板采用 ϕ22 mm×2 500 mm、500 号左旋螺纹钢锚杆配合拱形预应力托盘支护，间排距0.8 m×0.8 m，每排7 根；采用 ϕ21.8 mm×8 300 mm、1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线锚索进行顶板支护，每排3 根，间排距1.6 m×1.6 m；两帮锚杆间排距0.8 m×0.8 m，每帮6 根。

图10 支护断面参数Fig.10 Parameters of support section

设备配套形式为可控作业空顶距掘锚一体机（4顶4 帮）+锚杆转载机（3 顶2 帮）+带式转载机+带式输送机用自移机尾。

支护任务由掘锚一体机和锚杆转载机同步完成。设计1.6 m 为1 个大循环，分为有锚索循环和无锚索循环2 个小循环。图11 为有锚索循环的时序表，其主要工序协同情况如下：

图11 正规作业循环时序表Fig.11 Timing table of regular job cycle

1）掘锚一体机进行割煤的同时，锚杆转辙机进行顶部②④⑥号顶板锚杆支护和④⑥号两帮锚杆支护。

2）掘锚一体机完成割煤后，其机载超前平台向前滑移，通过临时支护实现顶网铺设，铺网完毕后，掘锚一体机进行锚杆支护作业，同时锚杆转载机进行顶锚索支护作业，掘锚一体机支护作业完成后，平台缩回，同时锚索支护完毕，完成整个作业循环。

因此，掘锚一体机和锚杆转载机最大平行作业率达100%，有锚索支护循环理论最大用时达32 min，考虑平台调整、割煤速度变化因素，非锚索循环最小用时可达25 min。

3.4 效果分析

成套装备现场施工如图12 所示，自应用以来，累计掘进3 000 余米，日进尺突破25 m、月进尺突破410 m，掘进效率提高1 倍（原综掘平均月进尺180 m），与传统综掘采用单体钻机相比，有效减少了锚护作业劳动强度，降低了空顶作业安全风险。软弱围岩掘锚一体化快速掘进技术将高强度、高风险的“三软”掘进工程转变成安全、高效的施工模式， 解决了煤矿掘进“顶板破碎、底板泥化、两帮大变形”地质难题，有效保障了“三软”条件矿井的生产接续。

图12 井下现场施工Fig.12 Underground site construction drawings

4 结 语

1）煤矿巷道掘进工程遇到大量具备膨胀性、高应力和节理化等特性的软弱围岩，在强采动、多扰动、大断面等因素耦合作用下，造成掘进期间顶板、两帮不同程度失稳，给支护和掘进造成一定困难，导致单进水平低、采掘接续紧张问题突出，制约了煤矿高效开采，采用传统的掘锚一体化快速掘进技术很难有效提升软弱围岩巷道掘进速度。

2）提出了减小空顶空帮距的及时支护技术。在掘锚一体化技术基础上，开发了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台，滑移行程达1.6 m，将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m 降至1 m，通过倾斜支护空顶距0.5 m，作业空帮距由3.5 m 降至1 m。

3）提出了软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应，掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护。

4）基于上述研究成果，研制了可控作业空顶距掘锚一体机，并进行了井下试验。试验表明，该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距，实现了作业空顶距“可控”，适应于软弱围岩巷道快速掘进，掘进效率提高1 倍。