矿用钻装一体机在城郊煤矿的应用研究

矿用钻装一体机在城郊煤矿的应用研究

菅典建

永煤集团机电部

[内容提要]如何有效提高煤矿岩巷掘进速度，是快速布置采区、解决矿井采掘接替失调等问题的关键，本文根据岩巷掘进设备使用实际状况，介绍了矿用钻装一体机在城郊煤矿井下现场实施的情况，并与传统岩巷掘进方式进行对比，总结设备使用的优缺点，为煤矿进一步提高岩巷掘进速度提供参考。钻装一体机是一种集合液压钻车和挖掘式装载机于一体，具备钻孔、破碎、装载、运输、行走、喷雾灭尘等功能的综合钻孔与装载设备，主要用于矿山岩巷、引水洞以及其它工程巷道中的掘进作业。钻装一体机重点解决了工作面设备调动频繁，钻孔、装运交叉作业时设备难以调动的难题，具有整机集成度高、打眼速度快、清矸效果好、人员劳动强度低、作业安全性高等优点，是一种新式高效的岩巷掘进设备。

关键词：钻装一体机；岩巷掘进；应用效果；优缺点

1、煤矿岩巷机械化掘进现状

目前，随着矿井机械化、自动化的快速发展，采煤、煤巷及半煤岩巷掘进机械化程度大幅度提高，各种重型化、自动化设备不断投入使用，并取得了相当好的效果，但在煤矿岩巷掘进方面，大部分岩巷施工仍使用人工打眼爆破的传统方式，机械化程度还普遍偏低，综合机械化设备相对较少，而且大部分效果并不理想或还处在推广阶段，机械化装备适用性差、切割材料强度不足等难关还没有真正攻克。

2、目前煤矿岩巷掘进工艺简单介绍

（1）风钻打眼，人工装药放炮，耙矸机装矸，蓄电池电机车或带式输送机运输矸石。该种施工工艺机械化程度较低，人员劳动强度较大，但装载机械化较高，掘进速度一般，是目前我国众多煤矿常用的岩巷掘进方式；

（2）液压钻车打眼，人工装药放炮，挖掘式装载机装矸，蓄电池机车或带式输送机运输矸石。该种施工工艺人员劳动强度有所降低，装载机械化较高，工效较第一种作业方式有一定提高，但存在掘进巷道宽度要满足液压钻车和挖掘式装载机错车的尺寸要求，巷道要求条件较高，此种方式目前在大型矿井有一定数量的应用。

（3）岩巷掘进机直接破岩装矸，后接带式输送机运输矸石。该种施工工艺人员人员劳动强度大大降低，机械化程度很高，工效提升明显，但因为初期设备投资金额较大、截齿材料消耗量大、适用地质条件要求高等限制，目前推广应用范围不大，仅在个别大型矿井或现代化矿井中使用。

3、城郊煤矿及设备使用地点地质情况

城郊煤矿位于河南省永城市，是河南能源化工集团永煤公司建设的第三对现代化大型矿井。矿井于1999年12月29日开工建设，2003年10月11日竣工投产，核定生产能力500万吨/年。矿井采用立井多水平上下山开拓方式，可采煤层有二叠系二2煤、三1煤、三2煤、三4煤共4层，现主采煤层为二2煤。采煤方法为走向长壁和倾斜长壁，采煤工艺为综采。回采工作面采用“U”、“E”型通风，掘进工作面采用局部通风机压入式通风。现开采二2煤层无自燃发火倾向，无煤尘爆炸危险性。矿井水文地质条件属中等类型。

钻装一体机用于西北回风石门，西北回风石门为岩巷施工，主要担负矿井西北翼回风任务，工作面位于井田西北翼，掘进层位整体位于下石盒子组，根据三维地震资料和邻近的西北轨道运输石门掘进期间实际揭露，岩层倾角变化不大，巷道掘进范围内，距煤层较远，掘进过程中不会揭露煤层，整体工作面无地质构造影响，最大绝对瓦斯涌出量为0.14m3/min。工作面沿二叠系下石盒子组砂质泥岩、泥岩、细粒砂岩掘进，f=7-10，巷道设计长度2575m，倾角4°，掘进断面形状为直墙半圆拱形，采用“锚网喷+锚索”支护，掘进断面面积为S掘=17.81m2，S净=16.72m2。墙高1600mm，断面净宽4800mm，掘进宽度5000mm，净高4000mm。该工作面正常涌水量为5m3/h，最大涌水量为10m3/h，水文条件较为简单。

4、钻装一体机功能及主要参数

钻装一体机是一种集合液压钻车和挖掘式装载机于一体，具备钻孔、破碎、装载、运输、行走、喷雾灭尘等功能的综合钻孔与装载设备，主要用于矿山岩巷、引水洞以及其它工程巷道中的掘进作业。钻装一体机重点解决了工作面设备调动频繁，钻孔、装运交叉作业时设备难以调动的难题，设备钻臂可以同时对巷道工作面迎头打放炮孔，也可以同时打帮、顶锚杆孔。反铲机构扒臂扒取远处岩石，也可以用扒斗来清理工作面，扒臂上集成有破碎锤，使用时不需拆卸，当遇到大块岩石可以使用扒臂上破碎锤进行破碎。整机主要由钻进部、扒装部、行走部、一运刮板机、本体部等组成，设备型号为CMZY2-150/25，适应巷道断面18～35m2，工作范围3500×3500～6300×5000mm，运行状态尺寸（长×宽×高）10300×1950×2870mm，装载生产率150～300 m3/h，钻孔直径φ43mm，钻孔深度≥2100mm，适应坡度±15°，整机重量37t。

5、钻装一体机施工方案

西北回风石门采用全断面一次成巷，钻爆法掘进，使用钻装一体机进行打眼和装矸，后接带式输送机运矸。通过充分利用钻装一体机集成度高，避免频繁错车和打眼速度快等优势，有效提高巷道掘进速度。

钻装一体机施工方法：首先使用钻装一体机钻臂对钻眼进行定位，并开始打眼，打眼结束后，由人工进行装药放炮，爆破后，使用钻装一体机的扒斗进行出矸，矸石通过钻装一体机的一运刮板机，输送到二运皮带上运至外部的矸石仓，完成一次循环施工。

6、取得的效果

（1）使用钻装一体机进行岩巷掘进施工，月平均进尺为110m，相比传统钻爆法掘进每月进尺70m提高了40m/月，大大提高了岩巷掘进进尺，缩短了岩巷成巷时间，有效的保证了矿井采掘接替。

（2）使用钻装一体机进行岩巷掘进施工，每班工作面迎头安排3人即可完成打眼、放炮、出渣、支护等工序，相比传统钻爆法每班迎头需人员6-7人，减少了4人，按每天两个生产班计算，每天可节约人工8人，工效大大提高。

7、钻装一体机优缺点

优点：

（1）整机集成度高，施工中避免了液压钻车和挖掘式装载机频繁错车。由于设备将钻车和挖装机集成在一台设备上，设备集成度较高，在掘进施工中就避免了分别使用液压钻车和挖掘式装载机时经常错车作业的情况，因此设备对巷道宽度要求降低，适用性大大增强。

（2）钻孔效率大大提升。钻装一体机采用液压凿岩机，深度为2800～3100m的钻眼，单孔施工平均钻眼时间不超过2分钟，相比人工使用风动凿岩机，钻孔效率大大提升。同时该设备采用钻孔平动技术，定位首个钻眼后，可直接进行钻臂平动，施工下一个钻眼，避免了钻眼重复定位，节省了打钻整体时间，钻孔施工效率有很大提升。

（3）清矸效果较好。钻装一体机扒矸范围较大，挖掘宽度≥5600mm，挖掘高度≥4500mm，挖取距离≥2100mm，因为设备可以在工作面迎头自由活动，因此相比耙矸机，基本迎头前部的矸石能够迅速清理完毕，清矸效果较好。

（4）人员劳动强度大大降低。钻装一体机机械化程度较高，钻眼、扒矸均采用机械化作业，人员在操作台使用手柄就可进行各种工序操作，相比人工风钻打眼、人工清理余矸等传统作业的劳动强度，使用钻装一体机工人体力消耗大大降低。

（5）人员安全性和作业环境大大改善。由于设备钻臂和扒斗较长，在进行打眼和扒矸时，人员直接在设备操作台操作即可，不必到迎头，且设备带有机载支护装置，可对空顶进行临时支护，使人员安全性有很大提升。在作业环境方面，使用风钻打眼时，噪音达到85dB以上，对操作人员精神影响较大，而使用液压凿岩机打眼时，打眼噪音约为60dB，对人员影响较小。清矸作业方面，使用耙矸机时因需要后续打眼，往往迎头矸石不能完全清除，迎头作业环境较差，而使用钻装一体机时，不需要考虑后续打眼问题，迎头矸石能够完全清理，人员进行支护作业时环境较好。

缺点：

（1）打眼和出矸不能平行作业。使用钻装一体机掘进需要先进行打眼放炮后方可出矸。钻臂和扒斗不能同时伸出，同时作业，否则容易发生设备部件干涉，造成设备损坏。相比岩巷掘进机来说，作业效率有所不足。

（2）前后辅助作业环节用时较多。在进行岩巷掘进施工时，需要首个钻眼定位，后续还需要钻装一体机退后、对设备进行防炮崩防护、拉移二运皮带机机尾等辅助作业，整体辅助作业环节用时较多，约占整体工序时间的15%左右。

（3）设备维护复杂，维护人员需要较高的业务素质。钻装一体机集成度很高，部件比较多，设备结构和液压系统布置等比较复杂，各部件安装的比较紧凑，因此在日常维护时，维护空间较小，维护相对较为困难，同时要求维护人员有较高的业务素质，能够快速分辨和处理设备出现的问题。

（4）配件消耗较多。相比风钻配耙矸机的施工设备来说，使用钻装一体机时配件的消耗量较多，钻装一体机上液压油、钻头、液压胶管、密封等都属于易损件，日常消耗量较大。

8、结语

钻装一体机在城郊煤矿西北回风石门使用后，月平均进尺在110m，掘进速度较传统钻爆法有显著提升，且设备对巷道成型要求降低，适应性大大提高，应用较为成功，具备在其他矿井推广的价值。

钻装一体机只是我国在煤矿岩巷掘进设备研究中其中的一种，虽然有效提高了岩巷掘进机械化程度和掘进进尺，但相比遂道及地铁施工等其他行业，煤矿岩巷掘进使用的设备整体仍然较为落后，需要进一步加强研究，仍有很长的路要走。

参考文献：

[1] 孙延宗，孙继业.岩巷工程施工:掘进工程[M].北京:冶金工业出版社,2011

[2] 单世东.掘进与支护（第二版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2018

[3] 李耀永.煤矿机械（第二版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2018

作者简介：

菅典建（1979-），河南永城人，机电工程师，2005年毕业于郑州轻工业学院，现任永煤集团机电部采掘设备主管，长期从事采掘机电技术及管理工作。