赵学强
（兖矿能源集团股份有限公司设备管理中心 山东邹城 273500）
随着兖矿能源集团采煤智能化建设工作的有序开展，采煤装备的更新换代较为迅速，回采智能化水平相对较高。巷道掘进作为煤矿生产的首要环节，技术与装备水平发展相对迟缓，导致采掘失衡问题日益突出，为保证采掘协调发展，实现快速掘进、减员提效的目标，经兖矿能源集团充分调研，开展了掘锚一体机的探索实践，并取得了较为显著的效果。
兖矿能源集团作为国内知名大型煤炭企业，较早实现了煤巷掘进的机械化，先后应用过进口及国产的多款经典机型。2003年，公司引进了奥钢联ABM20S型掘锚一体机，并在鲍店煤矿投入使用，创造了最高月进1100m 的掘进记录。同期，还引进了美国久益公司的连续采煤机在南屯煤矿进行房柱开采，积累了早期应用先进掘进装备及工艺的经验。
目前，兖矿能源集团的掘进主力装备是EBZ160、EBZ220、EBH315型掘进机。近年来，鄂尔多斯能化石拉乌素、营盘壕煤矿各使用2 台山特维克MB670 型掘锚一体机，月进尺达到500m 以上水平，转龙湾煤矿应用久益EJM2×170 型掘锚一体机，目前月进尺已达到1100m 以上水平。金鸡滩煤矿使用12CM15-10D 型连续采煤机，配套四臂锚杆钻车、梭车、给料破碎机等设备，进行煤巷双巷掘进，月进尺始终保持在2000m 的水平。
2.1 国外掘进装备技术发展现状
在智能快速掘进技术单机设备方面，国外厂商早已开展了设备智能化研究。例如，久益、山特维克、多斯科等公司均对锚杆钻机自动化进行了研究，并在智能截割理论和应用方面取得了一定的成果；
澳大利亚开发的自动施工锚杆和自动铺网技术成功应用于久益12ED30 型和山特维克MB670 型掘锚机［1］。国外掘锚机和全断面掘进机拥有自动截割技术、输送设备监测和自动控制技术，实现了全功能遥控、截割断面监视。
2.2 国内掘进装备技术发展现状
我国对掘进、锚杆支护设备及自动化技术研究起步较晚，主要掘进支护方式为悬臂掘进机掘进配合单体锚杆钻机进行支护，占比达到90%以上。“十一五”“十二五”期间，国内在重型掘进机、连续采煤机、掘锚一体机、全断面掘进机的研制和应用方面取得了一定的突破。在远程可视控制、自动截割轮廓成形控制、远程遥控、工况监测及故障诊断等技术方面取得了部分成果。但是，我国现阶段的煤矿巷道掘进技术在机械设备的应用上还存在着一定缺陷，未能将技术和机械更好地进行融合运用，在一定程度上影响了巷道掘进技术的有效实施，也不利于煤矿巷道掘进技术的未来发展。
巷道掘进是煤矿实现矿井安全、高产、高效的关键环节，大多数煤矿存在采掘比例失调问题，为缓解巷道掘进引起的回采工作面采掘接续紧张问题，新工艺、新技术、新装备不断涌现［2］。掘锚一体机作为一种快速掘进装备，对于解决采掘失衡的问题将起到关键作用［3］。兖矿能源集团积极探索掘锚一体机应用经验，在山东本部矿井及陕蒙矿区开展了掘锚一体机应用实践，取得了良好的应用效果。
3.1 鲍店煤矿7304胶带顺槽掘锚工作面
3.1.1 工作面基本情况
7304胶顺位于七采区北部，北邻7302智能综放工作面，南邻七采远距离供液硐室，埋深-549～-355m，平均-452m；
坡度3°～13°，平均7°。顺槽设计长度1927m，目前已施工964m，剩余长度963m，巷道采用锚网支护，净宽5.2m，净高4.2m，巷道沿3煤底板掘进，平均煤厚9.04m。
3.1.2 设备配置
（1）EJM2×170 掘锚机：配备了5.2m 横轴滚筒，可一次截割巷道全宽，EJM2×170掘锚机配有4台顶锚杆机和4 台帮锚杆机。4 台顶锚杆和2 台帮锚杆布置在靠近截割滚筒的后面，另外2 台帮锚杆机布置在机器尾部，打巷道底部的锚杆。为了优化工作面的工作环境，掘锚一体机安装了除尘装置；
掘锚机可以通过视频集控及数据上传实现远程遥控和在线诊断功能。
（2）自移机尾：采用迈步式自移机尾实现承载段自动移动，自移机尾具备调偏功能，保证了运输机运转正常。且替代了原有使用掘锚机拉移进行机尾延伸，提高了掘进的施工效率。
（3）CMM1-36 单臂钻车：单臂钻车施工单轨吊轨道，自带单轨吊梁储梁机构和托举装置，缩短支护作业时间，降低工人劳动强度，提高了单轨吊轨道的施工效率。
（4）DSJ100/2×185kW 胶带输送机：实现大容量储带，减少延接皮带次数；
输送带宽1m 满足煤流输送要求；
机头配备可视化集中控制系统减少用工人数。
（5）巡检机器人：自主行走的巡检机器人可以实现对整部皮带机的视频监控、音频拾取、红外测温、烟雾检测，并通过无线传输到集控中心，协助皮带机司机动态掌握皮带整体运行状态，便捷、高效地实现皮带巡检工作。
（6）集控中心：集移动变电站、变频、组合开关、通讯为一体，可远程实现对整个系统参数设置、状态查询及控制系统运行，有以下具体功能。第一，通过在掘锚一体机上安装高清摄像头、无线基站、调平倾角传感器在集控中心内实现掘锚机远程遥控截割，形成7304胶带顺槽传感器物联网。第二，通过地面远程控制台、井下集控中心、可视化移动终端、高清摄像头实现后路煤流运输设备一键启停，形成7304 胶带顺槽移动互联网。第三，通过千兆光纤环网对掘锚机、胶带输送机、集控中心运转数据的时时监测、采集、存储，组建青岛、包头、兖矿本部数据云平台，实现设备的在线检测和故障处理，形成7304胶带顺槽大数据库。
3.1.3 生产组织
7304 胶顺正常掘进期间采用四六制组织生产，3个班次生产，早班检修。
3.1.4 跟班写实情况
初期生产期间，7304 掘锚工作面每班按1 排组织生产，其余时间重点进行掘锚机机载锚杆钻机操作、支护练习，提高现场施工人员对设备的操作熟练程度和作业效率。据统计，掘锚机截割1排（进尺1m）平均用时约11min，最短截割用时6min，最长27min；
临时支护用时平均约8min，最短用时4min，最长16min；
支护1排平均用时约41min，最短用时17min（帮部施工2根锚杆），最长用时73min，施工一个工序的平均用时约为60min。
依据现场写实数据，7304 掘锚工作面最高日进尺达到26m，月进尺达到600m 水平，效率较综掘工作面提高1倍以上。
3.2 转龙湾煤矿23204辅运巷
3.2.1 地质情况
23204 辅运顺槽位于232采区西部，北侧到西部辅运大巷，西侧到23204胶运顺槽，南侧到矿井井田边界保安煤柱，东侧为未开拓区域，工作面200m范围内，相邻矿井无采掘活动。23204辅运顺槽设计长度5984m，掘宽5.6m，掘高3.95m，巷道沿Ⅱ-3 煤底板掘进，平均煤厚4.73m。
3.2.2 支护设计
锚杆直径、长度：23204 辅运顺槽顶部选用直径20mm、长度2200mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆；
帮部选用直径18mm、长度1800mm的树脂锚杆。
锚杆间排距：顶部布置7 根锚杆，锚杆间排距为900mm×1000mm，两帮部各布置4 根锚杆，间排距为1100mm×1000mm。
锚杆锚固方式：顶部锚杆选用2 卷树脂锚固剂锚固，顶部锚索选用3卷树脂锚固剂锚固，帮部锚杆选用1卷树脂锚固剂锚固。
锚杆锚固力：顶部锚杆为150kN，两帮锚杆为60kN。
锚索支护：2排2根锚索，锚索排距2m。
通过优化支护参数，单班最高进尺由14排提高到16 排。2019年11月至2020年6月，累计掘进进尺4520m，月最高进尺1126m，实现了高效掘进。
4.1 应用优势
从以上掘锚机应用实践可以看出，掘锚一体机在提高巷道掘进效率上较传统的综掘机有明显的优势，具体表现为以下几点。
（1）采用全断面横向滚筒，其截割部不需要左右摆动，使锚杆支护工作能够在掘进臂两侧进行而不会受到掘进臂工作的影响［4］。由于操作动作简单，且目前均使用遥控操作，更加有利于智能化的实现。鲍店7304胶顺掘锚一体机安装了截割部倾角传感器，可实时监测截割滚筒升降高度，实现在集中控制中心远程遥控截割功能，下一步将开展自动定位截割的试验与研究。
（2）掘锚一体机的投用，解决了传统综掘施工工艺安全系数低、作业环境差、劳动强度大的问题［5］。掘锚一体机自带顶、帮锚杆钻机，无需退机作业便可完成对巷道的永久支护，锚杆钻机全液压控制，钻进速度快，扭矩大，且操作灵活可靠，人员有较大的操作空间，在安全作业的同时可显著提高掘进效率，降低工人劳动强度。
（3）掘锚一体机由于截割速度快，运输煤量大，因此后配套运输系统必须满足运煤量的需求，目前所有的掘锚工作面均配套1m 带式输送机，鲍店7304、转龙湾23204 工作面均配套了自主研发的1m 带式输送机自移机尾及加长的带式转载机，一次拉移机尾可有效掘进24m，在满足运量的同时，可减少机尾拉移次数，提高掘进效率。
4.2 存在问题
虽然掘锚一体机具有掘进速度高、安全舒适性好等诸多优点，但在掘锚一体机的使用过程中，也存在一些不足之处，可归纳为以下几点。
（1）掘锚一体机的适应性不高。在煤层赋存条件较高的矿井容易发挥掘锚机的性能，但在顶帮煤层较破碎、断层频出的矿井难以得到很好的应用。由于掘锚一体机截割速度快，易出现应力集中的现象，巷道两帮压力显现明显，易片帮、折帮现象。另外，由于掘锚一体机滚筒为横轴式，截割面积较大，对于断层的通过能力较差。
（2）目前所使用的掘锚一体机主要以国外产品为主，设备资金投入力度较大。掘锚一体机设计及原理较为复杂，故障排查困难，配件更换难度大；
而且进口设备还面临配件到货慢且价格昂贵的问题，维护保养成本高。国内产品相较国外产品在设备可靠性上还存在一定的差距。
（3）掘锚一体机机载锚杆钻机布置比较紧凑，施工时锚杆的角度控制受到限制，由于国内巷道顶板布置锚杆数量一般较多，因此锚杆的施工角度无法保证。
（4）掘锚一体机的体积庞大，整机重量较传统综掘机高出较多，而且整机基本跟巷道施工宽度相当，因此在进行拐弯施工等复杂工艺施工时对掘进速度有较大制约，灵活度不足。
（5）掘锚一体机的机载除尘系统由于受到空间的限制，除尘效果普遍不好，产尘较大，会对截割视线造成一定的影响，同时对职工的安全健康较为不利。
目前，煤矿快速掘进系统是国内外煤矿所普遍认同的发展方向，尤其在内蒙古、陕西等多数地质条件较好的矿井，掘锚一体机日益得到普及，其在国内的发展必将越来越迅速。兖矿能源集团着眼于目前实际，在当前应用经验的基础上，将重点做好以下几点。
（1）在山东本部地质条件较好的矿井逐步推广掘锚一体机应用，在充分总结经验的基础上，不断对设备进行升级改造，提高掘锚一体机的适应能力。同时，优化生产工艺流程，不断摸索有益经验，发挥掘锚机最大效能。
（2）陕蒙地区由于地质条件较好，下一步将作为掘锚一体机的重点推广基地。在推广掘锚一体机的同时，合理配置后配套系统，保证工作面设备整体工作效能的最大化，解决陕蒙矿区日益严重的掘锚失衡问题。
（3）积极响应国家智能煤矿建设要求，在智能掘进工作面的建设上，重点推进智能掘锚工作面的建设。充分利用掘锚一体机适合开展智能化应用的技术特点，开展掘锚机自动定位截割、自动锚护等的研究与实践，整合工作面的不同子系统，设计开发高层次的采掘智能控制系统，装备由单机智能化向成套装备智能化转变，并通过功能口加强对多媒体、图形等的处理［6］。在实践中不断总结经验，建设国内领先的智能掘锚工作面。
（4）组织开展掘锚一体机技能人才的培养工作。高性能的设备离不开高素质的人才，在下一步的推广工作中，重点加大人才的培训力度，使现场作业人员不仅要会使用设备，还要做到懂原理、会修理，要将设备用好。
（5）开展国产掘锚一体机的应用实践。当前，国内很多煤机生产企业纷纷投入到掘锚一体机的研制中来，很多的设备已经比较成熟。下一步，兖矿能源集团将组织开展国产掘锚一体的调研考察活动，逐步进行国产设备的应用实践，在保证应用效果的同时降低设备成本投入。
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