B080401 掘进机械化技术工艺现状与展望.doc

掘进机械化技术工艺现状与展望马小钧大屯煤电集团有限责任公司，江苏 沛县 221611摘 要 随着煤矿工业的不断发展，快速掘进技术已成为安全高效矿井建设的关键，通过对煤矿掘进机械化的发展与现状分析，重点论述了制约综掘机单进水平的因素及其工艺配套问题。关键词 掘锚机组 TBM 岩巷工艺配套 龙门胶带 移动矸石仓 刀盘 滚筒-1 概 述我国是一个产煤大国，2006年全国原煤产量23.3亿t，今年预计超过28亿t，其中井工出煤占83.02%，采煤机械化程度达84.46%。巷道掘进工程量巨大，2006年仅原国有重点煤矿掘进总进尺就达到7954.2km，其中综掘进尺2226.2km，综掘机械化程度达28.44%。由此可见，采掘机械化发展程度极不平衡的。煤矿要实现可持续健康发展，采掘平衡至关重要，而仅从机械化程度上就不难看出，煤炭企业管理上依然存在着严重的“重采轻掘”问题。同时，这也恰恰向我们昭示了煤矿机械化发展的方向，重点在掘进机械化。掘进技术、装备和工艺水平，直接关系到煤矿生产的采掘接续、生产能力、经济效益和安全。正因如此，我国综合机械化掘进程度正逐步提高，综合机械化掘进已成为我国煤炭生产和安全高效矿井建设必不可少的技术支撑。纵观掘进机械化发展历程，19世纪70年代，英国为修建海底隧道，生产制造了第一台掘进机，美国在20世纪30年代开发了悬臂式掘进机，并应用于采矿业。我国使用巷道掘进机的历史，是从上世纪50年代初使用前苏联生产的2M、21型煤巷掘进机开始的，之后又应用并仿制了3 型掘进机。我国煤巷综合机械化掘进设备的研制和应用始于20世纪60年代，相继研制出了“反修I型”，“反修型”和“开马”型掘进机，机重大都在10t左右，适用于岩石坚固性系数f值小于4、断面为49.6 m2的煤巷掘进，以功率30-50KW的小型悬臂式掘进机为主。到80年代中期，我国分别从英、奥、日、苏、美、德、匈等国家引进了16种、近200台掘进设备，同时，通过消化吸收研发了适合我国煤层地质条件的综合机械化掘进设备，对我国煤矿掘进机械化发展起到了推动作用。“八五”、“九五”期间，我国开始重型掘进机的研制工作，“十五”期间进入快速发展阶段，其中EBZ、EBJ系列掘进机得到广泛应用1。目前，掘锚机组有代表性的机型有奥钢联的ABM12、ABM14、ABM15、ABM20、ABM30和乔伊的12BM15和12DE15等机型。国产掘锚机组已有产品下线，但尚不成熟。目前，窄机身掘进机、大坡度掘进机、适于大涌水条件等特种掘进机陆续被开发并应用。尤其是2006年沈阳三一重装开发出EBZ200H岩巷掘进机，更是开了国产悬臂式岩巷掘进机的先河。此后，佳木斯、上海创立等相继推出了EBZ230、EBZ300、EBZ220等悬臂式岩巷掘进机。此外，掘支机、掘钻机、掘锚机、连续采煤机、遥控掘进机等也陆续被开发应用，为煤矿掘进机械化的发展奠定了坚实的基础。然而，要提高单进水平就必须最大限度的提高开机率、充分发挥综掘机的作用，就必须高度重视并很好地解决掘进机械化作业线的综合配套问题。掘支平行作业问题和岩巷综掘的储矸缓冲问题，是掘进机械化发展必须要面对、而目前又没有很好解决的两大技术问题。 2 掘进机械化装备与工艺2.1 煤巷掘进机械化我国煤巷高效掘进配套方式主要有三种：一是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，它适应性好，在煤巷综合机械化掘进工艺配套方式中是应用最广的一种；二是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，它需要多巷掘进，交叉换位施工；三是掘锚一体化机组，主要靠引进奥钢联、乔伊等公司的产品，国内目前尚处于试验阶段2，仅少数矿区进行了使用。2.1.1 煤巷悬臂式掘进机工艺悬臂式纵轴掘进机、配胶带运输机出煤、单体锚杆钻机支护的作业方式，对煤层赋存条件有较好的适应性，由于主要液压元器件采用进口，液压系统的稳定性和可靠性得到大大提高。我国悬臂式掘进机的总体技术水平已接近或达到国际水平，主要有以下几个特点： 液压传动结构简单，操作简便； 电气系统实现PLC或EPLC控制，监控监测自动化、辅助故障诊断； 机型结构简单紧凑，稳定性高； 总体模块化设计； 操控、检修方便。悬臂式掘进机在我国重点煤矿已普遍使用，在煤巷掘进中发挥着重要作用。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，严重影响了掘进速度的进一步提高。2.1.2 连续采煤机掘进工艺连续采煤机是一种用于多巷掘进的快速掘进技术，虽然在同一台设备上实现掘进与锚杆支护不能平行作业，但采用多巷道掘进交叉作业，可实现掘锚平行作业，即先由连续采煤机进入掘进巷道 ，待连续采煤机掘进一定距离后，连续采煤机经联络巷退到另一个巷道，这时由锚杆钻车进入该巷道进行锚杆支护施工。如此方式交替循环进行，基本实现掘锚平行作业。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、伊泰公司等煤层赋存条件好的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。神华集团大柳塔矿采用连续采煤机掘进，2000年创出年进22324m巷道的水平。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，其中最高月进尺达7802m。连续采煤机用于长壁工作面顺槽必须双巷及三巷掘进，不能实现单巷掘进，这种掘进方式巷道空顶距离大，对地质条件要求高，用于煤巷掘进具有一定条件限制。2.1.3 掘锚一体化工艺掘锚机组掘锚机组适用于高产高效矿井煤巷快速掘进，它既能割煤装运，又能进行锚杆支护作业，克服了连续采煤机和悬臂掘进机的很多缺点，速度快、效率高、安全可靠 ，掘进和支护在同一台设备上进行。目前该类型设备广泛用于澳大利亚、英国和美国等采矿技术先进的国家，近年来我国先后从国外引进一些掘锚机组。兖矿集团引进的英国LH1300H型掘进机和日本三井三池的MRH-S220型掘进机，这两种掘进机均带有多台锚杆机。MRH-S220型掘进机配置锚杆机和我国自行研制的机载锚杆钻机差不多，也是先有掘进机，后配套锚杆钻机。掘进机使用效果很好，锚杆机使用效果并不理想。2005年兖州矿业集团又引进了一台ABM20掘锚机组，在满足其使用条件下，创造了综合月进尺 1100m的好成绩。但是帮锚杆钻机一次性成孔深度浅、需套钎作业，是制约掘进速度的瓶颈，而且整机过于庞大，拐弯半径大，安装拆除需施工专门硐室、周期长，适应范围较小。国内掘锚机组已有产品下线，但仍不尽人意，现正在进一步研制中。2.2 岩巷掘进机械化2.2.1 破岩工艺2.2.1.1 人工钻爆法破岩工艺 风锤人工钻凿炮眼、爆破落岩。该工艺是我国煤炭系统岩巷破岩的主要工艺。这种工艺简单，但安全可靠性差，效率低，工人劳动强度大，单进水平低。2.2.1.2 全液压钻车钻爆法破岩工艺 液压钻车钻凿炮眼、爆破落岩。这种工艺凿岩效率高，钻进速度快，单眼钻进速度是7655型风锤的4至6倍，综合凿岩速度是7655型风锤的2至3倍，特别是硬岩钻进效率更高，大幅度减少凿岩单工序时间；钻眼质量高，爆破效果有保障；工效高，作业人员少，钻车一般两人操作，熟练时可一人操作；可实施中深孔爆破，提高爆破效率，从而提高循环进度；由于司机远离迎头，安全上更可靠；液压凿岩机比风动凿岩机噪音小的多，可改善工人劳动环境；工人劳动强度低，有利于职工健康；适应于各种岩性条件。在同样满足后排矸能力的支撑条件下，单进水平提高更有潜力。在不久的将来，液压钻车作业线必将成为硬岩掘进的主流工艺。该工艺在国内许多局矿陆续投入使用，处于发展壮大阶段。主要生产厂家和设备型号是：石家庄煤矿机械有限责任公司的CMJ17、宣化华泰矿冶机械公司的CMJ17-HT、宣化阿特拉斯矿冶机械公司的CMJ17。目前，此设备已经步入成熟期。2.2.1.3 部分断面岩巷掘进机（纵轴悬臂）破岩工艺岩巷纵轴悬臂掘进机切割破岩工艺，国产的EBZ-200H自去年沈阳三一重装推出，今年佳木斯又推出了EBZ-230和EBZ-300。从使用情况看，在岩石坚固性系数f值小于6时，EBZ-200H是能够适应的。掘进机破岩工艺安全性比钻爆工艺好、工人劳动强度低，巷道成型规整，对围岩扰动小、利于支护。在满足后排矸能力的前提支撑下，其单进水平提高幅度更大。缺点是，切割过程中粉尘浓度高，内外喷雾加除尘风机仍达不到钻爆工艺相应的环境条件；EBZ-200H在岩石坚固性系数f值大于7时，破岩效率低、截齿消耗大、齿座磨损严重甚至磨通、主轴断裂等设备故障率明显提高。目前，国内已有的成型产品有：沈阳三一重装的EBZ200H和佳木斯的EBZ230、EBZ300共三个机型，分别在06年、07年下线。此工艺在国内尚处于试验阶段或起步阶段。2.2.1.4 全断面岩巷掘进机（TBM）破岩工艺全断面岩石掘进机（TBM）在国外已是一种完全成熟的掘进机械。它是集破岩、装运、支护等工序于一体自动化程度较高的施工工艺和装备系统。与传统的钻爆法相比，具有快速、高效、安全可靠、施工质量好、对围岩的扰动小等优点。由于TBM设备长度大，最小的也在80100m，不便转弯，设备安装拆除工期长；又属于机械切割破岩，坚硬岩层中使用时，设备故障率高，效率低。因此，一般用于铁路隧道和城市地铁隧道施工，除平硐开拓的煤矿外，TBM不适合于煤矿井下施工。2.2.2 破岩设备2.2.2.1 全液压钻车使用液压钻车作业线，可提高劳动效率、减轻工人劳动强度、有利安全生产，提高单进水平。液压钻车的支臂、推进器和千斤顶都采用液压结构，并且在工作油缸前端普遍装有液压锁。这样，无论钻车在凿岩或行走过程中，均不会因负荷的变化、机器的振动、油管的破裂或接头漏油等原因而改变原来的位置。应用液压钻车是提高采掘速度的重要途径，是减轻劳动强度、改善劳动条件和提高劳动生产率的重要措施。据统计，用钻车凿岩比用同类型的气腿式凿岩机凿岩提高工效24倍。随着凿岩爆破工艺的不断提高，巷道作业面的加大，凿岩钻车在生产建设中愈来愈显示出其优越性，同时在实际应用过程中对其要求也愈来愈高。全液压钻车生产厂家主要有三家。分别是：石家庄煤矿机械有限责任公司、宣化阿特拉斯矿冶机械公司、张家口宣化华泰矿冶机械公司。其工艺流程为：全液压钻车钻眼人工爆破落岩侧卸车装岩矿车运输锚杆支护喷射混凝土。2.2.2.2 全断面岩巷掘进机（TBM）国外，隧硐全断面岩石掘进机已有一百多年的历史，但现代意义上的TBM是于50年代由美国罗宾斯公司开发研制的。1953年制造出的第一台软岩掘进机，1956年研制成功的中硬岩掘进机。此后，TBM进入了快速发展时期。目前，在世界范围内，TBM市场主要被美国罗宾斯（Robbins）公司、德国维尔特（Wirth）公司、奥地利奥钢联（Voest-Alpine）及德国德马克（Demang）公司等制造厂商占领。目前居世界先进水平的掘进机有：罗宾斯型掘进机、佳伐型掘进机（Jarva）、德马克型掘进机（Demang）、维尔特型掘进机（Wirth）等四种。国内TBM技术发展缓慢。自1966年研制出第一台全断面隧道掘进机后国内共9个厂家先后设计制造了19台掘进机，投入使用17台，涉及工程项目21个，掘进累计总长只有18.5km。与国外掘进机相比，国产掘进机处于较低的水平，单机单头掘进隧硐长度都在1.5km以下，不能适应长隧道工程的需要。掘进速度方面，最高月进尺在250m以下，作业率大都在20以下。所以国产掘进机不能满足我国国民经济快速发展的要求，无法取得较好的经济效益。我国掘进机与国外先进国家的掘进机相比存在较大差距。主要表现在整机工作的可靠性自动导向和液压伺服系统大轴承的设计制造水平、主要零部件的使用寿命、液压元件的质量及整机作业的持续工作率等方面。2.2.3 储装运系统目前，我国岩巷矸石储运工艺，绝大多数采用钢丝绳牵引耙斗装机配矿车装运，巷道式储矸。单进水平的提高很大程度上依赖于出矸工艺系统，传统的方法装车效率低，且成巷周期长，安全可靠性差。要提高岩巷单进水平，必须采用机械化施工工艺，做到破、装、储、运系统合理配置。配套方案有以下几种：（1）全液压钻车钻眼人工爆破落岩侧卸车装岩矿车外运此种配置目前在国内已有多家使用，但效率还不明显，与人工钻爆工艺比，单进水平没有明显的提高，主要问题是没有储矸系统，爆破后矸石必须出尽，才能进行下一循环，而矿车不能连续供应，制约了单进水平的提高和设备能力的发挥。考查组认为，必须配置具有相应储备能力的矸石储运系统，才能发挥该机械化施工工艺的最大效能。（2）全液压钻车钻眼人工爆破落岩挖斗装岩机装岩矿车外运此种配置机械化装载程度比配侧卸式装岩机要高一点，但也只能在迎头矸石出尽后，方能进行下一循环，受矿车供给不连续的限制，单进的提高也比较困难。（3）全液压钻车钻眼人工爆破落岩挖斗机装岩梭车储矸皮带装载矿车外运此种配套方式能快速地完成一个循环落矸的装、储、运，而不影响下一道支护工序及第二个循环，但这种配套方式设备占用量大，管理要求较高。（4）全液压钻车钻眼人工爆破落岩侧卸车装岩梭车储矸皮带装载矿车外运此种配套工艺优点是装岩灵活，储运能力强，不影响装岩后工序的衔接。（5）悬臂式纵轴岩巷掘进机破岩(内置一运)内置二运皮带装载矿车外运采用此工艺时，没有储矸系统，矸石外运与破岩不能匹配，制约掘进机能力的发挥和单进水平的提高。（6）悬臂式纵轴岩巷掘进机破岩(内置一运)内置二运梭车储矸皮带装载矿车外运此类配套工艺破岩速度快，在采用梭车储矸工艺时，储、装、运系统能与破岩速度相匹配，提供缓冲，可以直接进入下一循环。影响岩巷单进水平的关健因素有四：一是循环进度，这与破岩工艺有关；二是支护速度，取决于支护工艺和设备；三是是否能实现掘、支平行作业；四是矸石的储、装、运能力。在立井开拓的矿井，矸石依靠矿车提升运输。储、装、运系统的配套是否科学合理，直接关系到矸石的外运效率、影响着单进水平。无论采用凿岩台车钻爆还是悬臂纵轴掘进机破岩，均不能再利用巷道储矸。因此，岩巷机械化工艺，矸石的储存缓冲环节尤为重要。储矸能力的大小，决定了岩巷机械的开机率，制约着其能力的发挥和单进水平的提高。目前解决储矸问题的方法有两种：一种是配置多节大容量的梭车，另一种是配置矸石仓。仓式储矸效率较低，周边巷道布置对其有相当制约。因此，在基建矿井或有条件的生产矿井可以设置矸石仓储矸。梭车在隧道施工中得到了很好的应用，在煤矿尤其是立井生产矿井中是完全可以适应的，目的是储存缓冲， 因此，在上述工艺配套中，梭车只作为储矸设备，也就是一个移动矸石仓。要“重车不动、空车前移、梭车不梭”，梭车储矸加龙门胶带装载、电机车牵引矿车外运的方案，才是目前岩巷机械化施工的理想配套方式。此外，除尘风机也是岩巷机械化作业线必不可少的配置，必须予以高度重视。各种岩巷工艺流程如图1所示；笔者推荐的两种可行的岩巷机械化掘进作业线工艺流程如图2所示。图1 各种岩巷施工工艺流程示意图图2 两种可行的岩巷机械化掘进作业线3 展 望机械化是煤矿现代化的保证，是煤矿企业发展的必由之路。今后，国内煤巷悬臂式掘进机的发展应注重以下几个方面：（1）集约化在横轴悬臂式掘进机基础上增设顶板和帮锚杆钻机，实现掘锚一体化、掘锚平行作业功能。横轴切割形式更利于锚杆机的布置，避免掘、支机构的相互干扰。此外，切割速度快、巷道断面成型规整，并更易于实现自动控制，适用于条件好的大型矿井。（2）智能化采用计算机工况监测监控技术和截割断面形状自动控制技术，逐步实现掘进机自动化。既克服了因司机视线不好而造成的成型差问题，又解决了因司机熟练程度低而造成的截割头割铲板带来的机械损伤和更严重的火花问题。（3）强力化加大切割功率、缩小截割头直径、截割部不伸缩，提高低速扭矩和单刀力，以提高煤巷掘进机过断层时的破岩能力，适用于大多数复杂地质条件较差的矿井。（4）多元化、系列化我国煤炭资源分布广，煤层赋存条件千差万别，掘进机的机型设计在突出重点的前提下，还必须坚持多元化、系列化原则，才能更好地满足市场需求并推动煤矿掘进机械化的全面发展。（5）标准化、模块化整机采用模块化适应不同条件和要求，配件标准化利于检修更换；同时，必须把液压临时支护作为综掘机的标准配置，这是改善职工安全作业环境、降低工人劳动强度和提高掘进速度必不可少的。（6）节约化煤矿井下空间有限，而目前一味加大机型尺寸和吨位的趋势不可取，受井筒提升限制，对运输、安装、拆除都不利。低矮机型适应性强稳定性好，因此，设计的理念应该是：用最少的钢铁，实现最大的能力和最好的功能。目前来讲，岩巷掘进机械化相对困难也相对落后，悬臂式纵轴岩巷掘进机采用的是镐齿破岩，其破岩