煤矿井下连掘工艺

　　在经济高速发展的新世纪，人类对能源的需求量呈几何级数增长，传统能源如石油、天然气、煤炭、水力发电和新能源如风能、太阳能、核能、生物质能发电等都获得了巨大发展，而现阶段，我国一次能源的主体仍然是煤炭。近几年来，每年煤炭的产量和消耗都超过了35亿吨，煤炭企业也逐渐全面采用机械化采掘，依托自动化、智能化的采掘机械，实现生产效率提高，产能增加，进一步改善生产条件和井下安全环境。

　　煤矿巷道掘进最基本的过程就是把岩石或煤破碎，形成设计所要求的空间，并对掘进空间进行支护。巷道掘进方法一般有钻眼爆破法和机械破岩法两种。过去以钻眼爆破法为主（特别是在坚硬的岩层中），现大部分掘进采用的是机械破岩法（特别是煤巷掘进），且逐渐向智能化、无人化方向发展。综合机械化掘进简称综掘，即能够实现破煤、装煤运煤、支护、喷雾除尘等全部工序联合作业的掘进形式，具有机械化程度高、施工速度快、效率高、对围岩破坏小和工作安全等优点，包括煤巷（煤断面面积大于4/5巷道断面面积）综合机械化掘进工艺、半煤岩巷（煤断面面积大于1/5巷道断面面积，小于4/5巷道断面面积）综合机械化掘进工艺和岩巷（煤断面面积小于1/5巷道断面面积）综合机械化掘进工艺。

　　为了尽快缩短巷道开拓工期，配合高产高效综采工作面的推进速度，提高水平巷道的掘进速度，国内地质条件较好的矿井，开始大量使用连续采煤机或掘锚联合机组开掘高产高效工作面平巷。同时，也有部分矿井采用房柱式开采法，使用连采机开采边角煤和回收煤柱，在保证产量和工效的前提下，最大限度回收煤炭资源。近几年来，连续采煤机、掘锚联合机组及配套设备在国内煤矿企业获得了大量的应用。

　　连续采煤机等成套综合设备实施采掘，广泛用于长壁工作面煤巷快速掘进和短壁工作面煤层机械化开采，目前在我国各大煤矿的应用前景非常广阔，尤其是在煤层赋存条件较好的陕北、内蒙古地区得到了广泛的应用，带来了巨大的社会效益和经济效益。

　　利用连续采煤机成套设备开采是解决“三下”采煤和边角煤回收问题的最佳手段与途径，不但提高资源回收率，同时能实现高效掘进、提高万吨掘进率。

　　房柱式开采系统一般需要同时开掘3-5条巷房，同时由于通风和安全的要求，还需要开掘横向联络巷贯通每条巷房，配合锚杆支护。连续采煤机房柱式开采分为巷房掘进和回收煤柱两个阶段。

　　图1-1-1为5条巷房的连续采煤机巷房掘进系统。图中连续采煤机正在第一条巷房作业，采煤机向前掘进的距离始终使煤机司机处于永久锚杆支护的安全范围内，即最远时司机刚好在最后一排锚杆之下，这个距离一般为5—6m，实际工作中还应根据巷道直接顶的稳定程度和通风要求修正。

　　连续采煤机掘进过程可分为“切槽”和“采垛”两个工序。如图1-1-2所示，司机根据巷房的通风布置确定采煤机先在巷房的左侧掘进，采煤机调正到位后，开始切割正前方煤壁，直到深度达5-6m时才停止，这一工序称为“切槽”工序。然后采煤机退出，调整到巷道的另一侧，再切割剩余的煤壁，是巷道掘至所要求的宽度，这一工序称为“采垛”工序。当煤机工作时，要及时假设纵向风障，使其端部超前于采煤机司机，以保持工作面良好的通风条件。

　　不论是切槽工序，还是采垛工序，连续采煤机的割煤顺序如图1-1-3所示。首先采煤机司机将截割头调整到巷道顶部，放下稳定靴支撑机身，由浅到深切入煤体，切入深度与截割头直径相等（图中a），截割头由上而下切割煤体（图中b），截割头切到煤层底部时，采煤机收回稳定靴稍向后移动，割平底板，并装完余煤（图中c），然后采煤机再进行下一个切割循环。采煤机依此反复循环，完成切槽和采垛工序，直到一次掘进进尺达5-6m时，采煤机后撤转移到邻近巷道作业，锚杆机进入进行支护作业。

　　采煤机每一个切割循环进一刀，即前进约一个滚筒直径的距离，如果煤质太硬或有夹矸等情况时，采煤机循环截深还可适当减小。如果采煤机每次切入深度为0.857m，那么切槽或采垛工序掘进6m的距离需要经7次切割循环。

　　连续采煤机通过星轮扒爪装载机构和中部输送机将煤装入后部的梭车。通常一台采煤机配两台梭车，一台在采煤机后部等待装煤，另一台已装满煤驶向给料处，快速卸煤后再返回采煤机地点。两台梭车这样往返穿梭行走，以保证连续采煤机尽可能连续作业。在采煤机产量高的情况下，也可以配三台梭车，同样的根据生产实际组织条件，也可以只配一台梭车。

　　因采煤机每次掘进进尺应保证采煤机司机位置在永久锚杆支护的范围内，当采煤机司机完成这段距离的采掘任务后，要立即退出，转移到另外一条巷房重复同样的操作程序，这时锚杆机也刚好完成邻近巷房的钻锚工作，随即转移到刚刚开采出来的巷房开始打眼和安装永久性锚杆。锚杆机的作业顺序是：定位—打眼到设计深度—装锚杆—推入锚杆—拧紧螺母达到预定的扭矩值—收回。

　　当区段内的巷道（煤房）全部采掘完后，采煤机开始后退回收煤柱。煤柱回收的方式很多，具体应根据煤柱尺寸大小和围岩条件确定。一般来说，如果顶板稳定，可直接回收全部煤柱；反之，如果顶板不稳定，则要保留部分煤柱。

　　图1-1-4所示为边翼敞开式煤柱回收法。这种方法先在待回煤柱沿采空区一侧采出一条带煤，其宽度由煤层条件和所使用的设备类型而定。条带开采时，要在采空区一侧用木支柱、木垛、单体液压支柱等加强支护，条带采空后，远距离回掉采空区边缘的支护，以使顶板自落。回采顺序一般是在煤柱相邻两侧交替一个条带一个条带的开采，如图所示次序。对于连续采煤机房柱式开采系统，这种回收方式应用较少。

　　连续采煤机通常用于房柱式开采，60年代后期又研制出了重型切割滚筒和链式传动式切割头，其有效切割范围不断扩大。随着设计的改进和制造工艺升级，目前连续采煤机的装机功率、切割效果、行走速度、运行可靠性都有新的提高，并且装有锚杆机的连续采煤机也已得到应用，从而大大缩短了循环时间，改善了顶板控制。

　　由于高产高效长壁工作面的推进速度很快，为了使平巷掘进不影响长壁后退式工作面的回采速度，越来越多的连续采煤机用于高产高效矿井的煤巷掘进。查询有关记录资料表明，一种同时进行割煤和安装锚杆的连续式采煤机可日进100m，完全能满足日产万吨长壁工作面对掘进速度和效率的要求。

　　图1-1-6（图1-4-26）所示为神东矿区某矿一长壁工作面的设备布置及掘进工艺，连续采煤机在3号平巷内落煤的同时，采煤机上装设的星轮式装载机和中部输送机把煤装到连采机机身后部的运煤车内，再由运煤车将煤送入，经送入平巷的可伸缩带式输送机运出。连采机切割推进6m后，退出至邻近2号平巷作业，这时，完成1号平巷锚固作业的锚杆机立即进入3号平巷，安装永久性锚杆对顶板进行支护。蓄电池铲车跟随在锚杆机后面清理底板浮煤和其他杂物，保证道路通畅。连采机截煤首先从平巷的一侧开始，掘至6米时，退出再切割剩余的另外一侧煤壁，前者称为切槽工序，后者称为采垛工序，连采机就是以切槽和采垛工序完成采煤任务的。循环进尺取为6米是考虑到这个距离使采煤机司机操纵位置始终在永久性锚杆支护范围内，这个距离也可以根据巷道直接顶的稳定程度和通风系统要求加以改变。

　　无论是切槽还是采垛工序，连采机首先自巷道顶部切入煤体，然后自上而下切割。切入深度一般与截割滚筒直径相同，煤质较硬时截深可适当减小。当截割滚筒切到巷道底部后，机身应稍往后移动，割完底煤，以保证巷道底板平整。待装完余煤后，采煤机完成一刀，即一个截割循环。反复截割循环，直到巷道进尺达到一个循环进尺6m为止。例如，每次切入深度为0.857m，则7次截割循环就可达到6米的进尺要求。

　　平巷和联络巷的掘进顺序如图1-1-6所示，连采机截煤的同时，锚杆机在另外一条巷道内作业。锚杆机作业的顺序是：定位，钻眼，推入药卷和杆体，搅动，装托盘，拧紧螺母。全部锚杆安装完毕后，锚杆机转移到邻近巷道内作业，此时巷道内连采机已经完成截割作业。

　　连续采煤机完成落煤工序一般情况下，底板不易泥化时要求沿底掘进；巷道底板泥化严重时，顺槽、联巷均可留300～400mm底煤掘进，但必须及时探顶底煤，严禁破顶，一旦顶板有构造，必须及时调整掘进工艺。

　　（1）连续采煤机液压系统简单，多采用泵——缸系统，一般不需要调速，液压泵为大流量双联齿轮泵，而且大多是采用电机驱动，不受或少受液压元件故障的影响，故传动系统可靠，结构简单，多为模块化布置，造价低，对维护要求低，井下维修更换较为方便。

　　（3）连续采煤机配套设备综合性能良好，操作简单。配套独立的锚杆机打眼速度快，锚杆锚固快，打眼无粉尘飞扬，无水花四溅，一分钟可完成一个锚眼；运煤车运量大、速度快，每车可运15吨左右，运一车仅需2～3min。

　　（4）连续采煤机是为至少两巷道掘进，长壁工作面多平巷布置，可以较好的解决瓦斯涌出量较大的高产高效工作面通风问题，多通道有利于井下调度和安全。

　　（5）连续采煤机多巷道掘进充分发挥了其采掘合一的功能，掘进的同时出煤，较好地解决了长壁生产中的采掘矛盾，同时连续采煤机掘进实现了掘、锚、装、运平行作业，掘进速度快、工效高、产量大，与高产高效长壁工作面配套有利于缓解采掘紧张，保证高产高效的实现。

　　（6）连续采煤机一般采用横轴式截割滚筒截割机构，截割功率大于一般的煤巷掘进机，对于煤系页岩和厚度不大的硬砂岩，一般都能适应，这无疑有利于长壁工作面的平巷掘进。

　　（7）连续采煤机工作面生产成本低吗，搬家倒面和调度方便快捷，工作面接替停产时间短，综合经济性好，其吨煤平均成本可低至50元左右。

　　（1）连续采煤机为履带式行走机构，配套的运煤车为胶轮行走，在巷道穿梭往复运行，容易破坏巷道底板的完整性，特别是底板松软或多水时，巷道常称为“水泥路”，既不利于生产，又影响设备的使用寿命。

　　（2）连续采煤机对煤层的地质条件要求高。一般煤层倾角不宜太大，煤层厚度应为1.3～5米，底板较坚硬，无涌水或水对底板影响小，煤层底板中等稳定，可锚性好。

　　（3）连续采煤机截割滚筒宽度一般为3.5米左右，在液压缸控制下，上下摆动，掘进巷道形成的断面一般为矩形，当巷道需要掘进成拱形或肩部成曲线型时，其难以适应。

　　（4）由于多巷道同时掘进，运煤车、锚杆机等频繁穿梭于各个掘进头，因而巷道间的联络巷很多，这既增大了快速封闭联络巷的任务，也不利于生产时的通风管理。

　　1个典型的连续采煤机房柱式工作盘区的设备包括：1台连续采煤机；1台锚杆机（高产工作面应采用双摇臂锚杆机）；最少2台梭车（又称拖缆式运煤车）或蓄电池运煤车；1台给料；1台蓄电池铲车；1套移动变电站；其他辅助和附属设备，以及通风系统或设备。如图1-1-1所示。

　　连续采煤机是房柱式采煤方法掘进和回采的主要机械设备，其中滚筒式连续采煤机使用最为广泛，它是由截割机构、行走机构、装载转载运输机构、液压系统、电气系统以及辅助装置等部分组成。

　　连续采煤机房柱式采煤方法采用锚杆支护顶板，安装锚杆是这种采煤方法循环作业中耗时较多的工序，锚杆支护的设备及工艺参数直接影响生产的安全和工效。因此，锚杆机是连续采煤机系统配套中最重要的设备之一。

　　锚杆机多种多样，以适应不同的煤层条件。锚杆机有单摇臂和双摇臂之分。单摇臂锚杆机由钻箱、悬臂、支撑臂、托架、回转台、行走机构、液压系统和电气系统等组成，还装有集尘器和临时支护顶板的支护臂，并在支护臂一侧装有防护罩。

　　运煤车是一种在短距离内运送煤炭的车辆，目前在房柱式采煤和煤炭掘进作业中，运煤车是连续采煤机的主要配套设备之一，它往返于采煤机和之间。按提供动力的方式不同，运煤车有三种型式：

　　（1）拖电缆式运煤车，也称梭车：其供电方式有两种，一种是用电缆将交流电送至运煤车，在运煤车上整流后供给直流电动机；另一种是在附近移动变电设备上先将交流电变为直流电，再由电缆将直流电送到运煤车上供给直流电动机，如美国久益公司的10SC22和21SC型梭车。

　　梭车主要由主车体、行走机构、装卸装置及司机室等部件组成，用电机驱动四个胶轮，并配有抱闸制动系统，可前后穿梭行驶，动作灵活，回转半径很小，直角转弯可不增加巷道宽度，梭车车厢容量一般为7～18t，有时为了提高梭车的容量，在车厢上增加装设侧板。车厢内的煤在处由梭车厢耐的双边刮板运输机卸载，卸载时间一般为30～45s。输送机由或单速及双速电动机驱动。

　　（2）蓄电池式运煤车：这种运煤车是将足够容量的蓄电池加装在运煤车上作为驱动 源，如朗艾道（LONG- AIRDOX）公司的810、820型运煤车。

　　（3）内燃机式运煤车：这种运煤车以防爆型低排气污染的柴油机为动力，它类似于油机汽车，如杰弗里（Jeffery）公司的410HR型运煤车。

　　给料是高产高效连续采煤机房柱式开采作业中的主要配套设备，其作用是梭车可快速把所载煤炭卸入给料料斗，减少梭车卸载时间。卸入料斗的煤由输送机送入，大块煤被破碎，并均匀地再将煤转载到带式输送机外运。给料由链条传动装置、构、履带式行走机构及机架等主要部件组成。履带和链条传动装置由驱动，构由电动机通过减速器驱动。

　　在连续采煤机房柱式开采中，铲车已成为非直接生产用的必不可少的辅助运输设备，可实现装运卸三种作业，其作用为运送人员，搬运物料设备，清理工作面残留浮煤和杂物。在大型矿井中，铲车可作为一种辅助运输设备。按提供动力的方式不同，铲车可分为四种型式，即内燃机式、气动式、蓄电池式和拖电缆式。这种长距离运输的胶轮自行车辆用途多、机动灵活，可以大幅度减少劳动力，提高生产效率。

　　房柱式采煤方法广泛应用于美国、加拿大、印度和南非等国。美国是世界上采用连续采煤机房柱式开采最早和产量最高的国家。

　　20世纪40年代，美国在房柱式开采中就开始试用截煤机、钻机、装煤机和各种运输设备，这种配套称之为“普通房柱式开采”。到了40年代中期，美国出现连续采煤机，它取代了普通房柱式开采中所使用的多台单一性能的机械，将掏槽、切眼、爆破和装煤等几种作业合而为一。到了60年代，随着采煤设备的不断改进和配套设备的完善，已经形成一整套适合于房柱式采煤法的以连续采煤机为中心的设备体系，从而大大提高了工作面的生产能力和效率。例如60年代后期，连续采煤机履带行走首次采用电驱动，这是以后电牵引技术的先驱。到了70年代，12CM型连续采煤机首次采用了机载的固体电路可控硅整流器，使用直流电机进行牵引，这不仅使连续采煤机操作性能大大提高，完全取代了液压牵引，又使连续采煤机性能进一步提高。因而，澳大利亚和南非开始相继引进美国的连续采煤机及其配套设备。到80年代初，我国也开始引进连续采煤机，在条件合适的矿区进行试验，1979年引 进的进口连续采煤机，相继在大同矿务局大斗沟矿、姜家湾矿进行条带式开采，但由于单机引进，采煤方法落后，因此效果不理想；1995年神东矿区引进的美国JOY连续采煤机相继在上湾矿、大柳塔矿、矿、榆家梁矿大范围应用，在煤巷快速掘进和边角煤回采中均创下诸多记录，并总结出了连续采煤机的适用条件。

　　长壁式开采在美国始于60年代，在此之前，井工开采采用房柱式采煤法。从60年代到现在，长壁式采煤法在美国取得了长足的发展，但长壁工作面的总个数十多年来并没有多少变化，仍维持在1000个左右，并略有减少。长壁工作面总产量随工作面单产的提高而提高，目前占美国井工开采总产量的50%以上，连续采煤机房柱式开采产量占井工开采煤炭总量的55%左右。在澳大利亚和南非，房柱式采煤方法产量所占的比例更高。

　　连续采煤机房柱式开采发展到20世纪80年代初，单机平均产量为800t/班，最高纪录达4150t/班，最高月产达12.1万t。到90年代初，在1台连续采煤机配备3台蓄电池运煤车的条件下，单机单产达百万t/a以上。全员工效达50t/工以上。目前，美国连续采煤机使用台数约1600台以上，工作面平均班进尺达60m，日产千吨左右，许多高产工作面达到日进百米，月产超过10万t。

　　我国引进连续采煤机始于1976 年，先后引进美国JOY公司12CM-9BUN型、12CM-18型、英格索兰LN800型、杰弗里1036RB型以及飞尔奇MARK-22型等多种连续采煤机，迄今为止，大体经历了单机引进、配套引进和自主开发三个阶段。

　　第一阶段，上世纪80年代，引进以单机为主。期间共引进32台，使用较好的是大同矿务局大斗沟矿。1983年，在巷道断面15m2平巷掘进中使用12CM11和12CM14 型连续采煤机，最高月产原煤3.5万t，年产30万t，年进尺近万米，平均日进尺30m。目前这一批设备由于多数不配套，掘进断面偏小备件供应困难，维护管理水平跟不上等原因，基本上在生产中 已不使用了。

　　第二阶段，90年代，以配套引进为主。由于国内高产高效矿井黄陵矿区和神东公司先后配套引进27台套，用于房柱式开采和长壁工作面煤巷掘进，取得了优异的技术经济指标。据神东公司的统统计，使用它比使用悬臂式掘进机每米成巷成本低160元。神东公司大柳塔煤矿连采二队使用美国JOY 12CM15型连续采煤机，在2002年全年单机完成掘进26055m、掘进断面17.5m2，创国内煤炭行业单机、大断面掘进年进度新纪录。2002年，神东公司上湾煤矿采用两套连续采煤机进行短壁机械 化开采，生产原煤334万t、 最高月产34.2723万t（8月）、最高日产1. 38万t（10月4日）、工效54. 07t/工，创国内煤炭行业短壁开采矿井新纪录。晋城寺河煤矿引进美国JOY公司生产的最新型12CM27 型连续采煤机，曾创造日进91m的记录。2004年8月，神东公司上湾矿连采二队使用JOY 12CM27-11D连续采煤机创日进163m的先进水平。2004年3月创双巷掘进月进 尺3 070m的记录。

　　第三阶段，自主开发阶段。随着国内引进和使用的连续采煤机成套装备数量的增多和使用经验的积累。太原煤科院从2004年开始至2014年，陆续尝试自主研发，并生产出了连运系统、连续采煤锚杆钻车，以及连续采煤后配套设备，填补了国产化短壁装备的空白。目前，国内市场国产连续采煤机和锚杆钻车己突破30套，后配套突破120多台，其中给料已经全部替代进口。与此同时，国产装备在神东矿区、陕煤、中煤平朔矿区和华晋王家岭矿、蒙西矿区、晋南矿区等不同煤层条件得到了广泛的应用和改良，设备稳定性不断提升。