智能示范礦井┃魏東董事長：延長礦業(yè)鉆錨一體化智能快速掘進創(chuàng)新實踐與成效

智能示范礦井

“智能示范礦井”欄目重點推送《智能礦山》“智能示范礦井”專欄刊載的論文，邀請全國各礦井分享最新智能化建設(shè)成果、亮點與經(jīng)驗，旨在發(fā)揮典型智能示范礦井引領(lǐng)作用，促進我國礦山智能化建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。截至目前，《智能礦山》雜志已刊載66家礦井智能化建設(shè)成果論文115篇。 ? 點擊訂閱

文章來源：《智能礦山》2025年第1期“智能示范礦井”專欄

作者簡介：魏東，正高級工程師，博士，國家煤礦智能化專家，現(xiàn)任陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司黨委書記、董事長、總經(jīng)理，主要從事煤電企業(yè)管理、煤礦智能化建設(shè)、礦山安全高效開發(fā)相關(guān)研究工作。E-mail：lichuan@hpu.edu.cn

作者單位：陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司

引用格式：魏東, 趙一超, 劉渭. 延長礦業(yè)鉆錨一體化智能快速掘進創(chuàng)新實踐與成效[J]. 智能礦山, 2025, 6(1): 71-76.

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陜北侏羅紀煤田未開發(fā)煤炭資源占全國的28.98%，條件好、起點高，是我國先進產(chǎn)能釋放最具潛力礦區(qū)。陜北煤炭基地新建礦井和產(chǎn)能提升對于全國煤炭保供、國家能源安全意義重大。陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司（簡稱延長礦業(yè)）在陜北擁有210億t煤炭資源，是國家煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移“主力軍”，“十四五”末產(chǎn)能5 000萬t以上，“十五五”末產(chǎn)能將突破1億t。

陜北煤炭基地整體采煤技術(shù)自動化、智能化程度處于世界領(lǐng)先地位。巷道掘進機械化、自動化程度落后于采煤，是制約產(chǎn)能釋放的“卡脖子”難題。延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司（簡稱可可蓋煤礦）巷道斷面大，圍巖裂縫發(fā)育且富水，為陜北煤炭基地典型復(fù)雜條件巷道。實施巷道快速掘進關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)、快速掘進巷道工程示范對保障陜西乃至全國優(yōu)勢資源、先進產(chǎn)能釋放影響重大。

鉆錨一體化智能快速掘進的關(guān)鍵技術(shù)

在井工煤礦的巷道成巷工序中，支護用人最多（占掘進面用人總數(shù)>60%）、用時最長（占成巷總用時約70%）是當前影響煤巷快速成巷的最主要因素。以錨桿快速支護技術(shù)為核心，開展煤巷快速掘進關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研發(fā)，實現(xiàn)自動化減人、高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)。

針對上述難題，在國家重點研發(fā)計劃“復(fù)雜條件煤礦巷道快速智能掘進關(guān)鍵技術(shù)與裝備（2023YFC2907600）”的支撐下，延長礦業(yè)與天地科技股份有限公司聯(lián)合攻關(guān)，以支護為核心，在可可蓋煤礦富水裂縫圍巖下創(chuàng)新實踐了鉆錨一體化錨桿、一鍵打錨桿，形成了截割、運輸、除塵、控制等先進技術(shù)與成套裝備。研發(fā)的煤巷鉆錨一體化智能快掘成套技術(shù)與裝備，實踐了掘支錨運分區(qū)并行協(xié)同快速掘進模式，實現(xiàn)了西部礦區(qū)復(fù)雜條件下巷道快速掘進工程示范的重要突破，取得7項關(guān)鍵技術(shù)突破與創(chuàng)新，可可蓋煤礦掘支錨運分區(qū)并行協(xié)同快速掘進模式與裝備如圖1所示。

圖1 可可蓋煤礦掘支錨運分區(qū)并行協(xié)同快速掘進模式與裝備

(1）巷道鉆錨一體化支護工藝及技術(shù)

全自動鉆錨一體化是以錨桿自身作為鉆桿反向轉(zhuǎn)動鉆進，錨固劑自錨桿中孔注入錨桿與鉆孔的環(huán)形孔隙進行錨固，正轉(zhuǎn)預(yù)緊。將傳統(tǒng)的6道施工工序（鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、攪拌錨固劑、等待凝固及預(yù)緊）簡化為1道工序，變革了錨桿支護工藝，提升了錨桿支護速度。

新型灌注式錨桿錨固劑與錨桿相結(jié)合，通過中空錨桿進行泵注，將桿體內(nèi)部、桿體與巖體之間、巖體內(nèi)部的空隙全部充滿并膠結(jié)，具有良好的膠結(jié)和加固效果，錨固長度為800 mm時，錨固力>200 k N，實現(xiàn)對富水裂縫圍巖的錨固，完成圍巖有效支護，鉆錨一體化錨桿工作原理如圖2所示。

圖2 鉆錨一體化錨桿工作原理

(2）灌注式錨桿錨固劑

研發(fā)出可用于錨桿（索）錨固的觸變型快速固化灌注式錨桿錨固劑，具有強觸變性，通過泵注方式實現(xiàn)頂板兩幫快速錨固，突破了傳統(tǒng)注漿需要封孔的難題，實現(xiàn)免封孔、不回流，密實充填鉆孔保證錨固力。與鉆錨一體化錨桿配合，最大程度簡化鉆注錨固工藝，具備了無人化錨固的材料基礎(chǔ)。錨固劑固化時間為25～180 s速度可調(diào)，適應(yīng)各種圍巖錨固速度需求。錨固長度為600～1 200 m定量可調(diào)，保障富水裂縫條件下高可靠錨固，灌注式錨桿錨固劑如圖3所示。

圖3 灌注式錨桿錨固劑

(3）新型鉆錨一體化錨桿材料及構(gòu)件研發(fā)

新型鉆錨一體化金屬錨桿材料主要由鉆頭、中空桿體、調(diào)心球墊和多功能螺母等組成。中空桿體的屈服強度439.2 MPa，屈服力187.5 k N，抗拉強度623.2 MPa，抗拉力266.1 k N。打孔時，螺母在鉆箱帶動下反轉(zhuǎn)，同時帶動桿體反轉(zhuǎn)打孔；錨桿錨固后，鉆箱帶動螺母正向轉(zhuǎn)動，將錨桿拉伸預(yù)緊。研制的鉆錨一體化錨桿承載力為260 k N，預(yù)緊力矩≥300 N·m，具備良好的力學(xué)性能，鉆錨一體化錨桿屈服強度與抗拉強度曲線如圖4所示。

圖4 鉆錨一體化錨桿屈服強度與抗拉強度曲線

新型高強度鉆錨一體化玻璃鋼錨桿首次實現(xiàn)了玻璃鋼錨桿鉆錨一體化施工，滿足可可蓋煤礦井下回采側(cè)煤幫高效支護需求；鉆錨一體化玻璃鋼錨桿在極限承載轉(zhuǎn)矩為>360 N·m、抗拉強度為400 k N，錨桿強度較傳統(tǒng)玻璃鋼錨桿有明顯提升；單根錨桿作業(yè)時間<3 min，鉆錨一體化玻璃鋼錨桿及指標參數(shù)如圖5所示。

圖5 鉆錨一體化玻璃鋼錨桿

(4）鉆錨一體化快速支護裝備

鉆錨一體化多功能鉆箱具備多個流體通道，集驅(qū)動鉆孔、預(yù)緊、泵注錨固劑功能于一體。最大轉(zhuǎn)速為575 r/min，失速轉(zhuǎn)矩為560 N·m，滿足鉆孔、預(yù)緊需求。

鉆錨一體化自動支護鉆架采用大行程全滑柱式結(jié)構(gòu)設(shè)計、有效提高錨桿作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和使用壽命。鉆架主要由支撐機構(gòu)、推進機構(gòu)和夾鉗機構(gòu)組成。工作時，支撐機構(gòu)伸出支撐至圍巖表面，與鉆架基座共同作用穩(wěn)定鉆架。推進機構(gòu)推進行程為2.6 m，采用大行程全滑柱式結(jié)構(gòu)，有效提高了錨桿作業(yè)過程的穩(wěn)定性和使用壽命。通過特別研制的大剛度導(dǎo)軌油缸直推夾鉗結(jié)構(gòu)，保證了錨桿開孔過程中的扶正和定位作用，確保了錨桿施工作業(yè)中的穩(wěn)定性。

鉆錨一體化泵注系統(tǒng)可實現(xiàn)A、B雙組份錨固劑精準等體積泵送。注漿泵系統(tǒng)采用行程可調(diào)式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可根據(jù)現(xiàn)場工況實現(xiàn)錨桿錨固長度調(diào)整，實現(xiàn)錨固長度為900～1 600 mm可調(diào)，保證了鉆錨一體化錨桿在富水裂縫圍巖中的快速支護和高錨固力。

(5）鉆錨一體化“一鍵打錨桿”控制系統(tǒng)

鉆錨一體化錨桿控制系統(tǒng)是實現(xiàn)錨桿自動化施工的核心?，F(xiàn)有的錨桿施工裝備控制系統(tǒng)僅能實現(xiàn)錨桿手動施工和狀態(tài)顯示，無法實現(xiàn)鉆孔、錨固、預(yù)緊等錨桿施工全流程自動化。鉆錨一體化錨桿控制系統(tǒng)首次實現(xiàn)了掘進生產(chǎn)過程中自動打錨桿的常態(tài)化運行，自動打錨桿成功率>95%，大幅降低了錨桿工人的勞動強度，大行程全滑柱式鉆錨一體化鉆架如圖6所示，鉆錨一體化錨固劑泵注系統(tǒng)（注漿泵+獨立式料箱）如圖7所示，“一鍵打錨桿”智能控制系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖6 大行程全滑柱式鉆錨一體化鉆架

圖7 鉆錨一體化錨固劑泵注系統(tǒng)（注漿泵+獨立式料箱）

圖8“一鍵打錨桿”智能控制系統(tǒng)界面

(6) 560 k W大功率掘錨一體機

針對可可蓋煤礦巷道掘進過程中局部半煤巖截割的需求，研制出560 k W大功率掘錨一體機，截割功率全行業(yè)首次由340 k W提高至560 k W。針對全寬橫軸式滾筒截割破巖，升級齒座截齒以及截割滾筒，提升了掘錨一體機截割巖石效率，臨時支護支撐力由400 k N提升至800 k N。針對巖石頂板中錨桿安裝鉆進，研發(fā)出適用于f=8巖層的高效鉆進錨桿鉆頭，提升了西部礦區(qū)巖石頂板下巷道錨桿安裝效率。800 k N級臨時支護掘錨一體機結(jié)構(gòu)、掘錨一體機新型截齒分別如圖9、圖10所示。

圖9 800 k N級臨時支護掘錨一體機結(jié)構(gòu)

圖10 掘錨一體機新型截齒

(7）鉆錨一體化智能快掘成套裝備

以鉆錨一體化錨桿、“一鍵打錨桿”技術(shù)為核心，研制出集截割、運輸、除塵、控制等先進技術(shù)于一體的煤巷鉆錨一體化智能快掘成套裝備，實踐了掘支錨運分區(qū)并行協(xié)同快速掘進模式。

鉆錨一體化智能快速掘進的集成示范

鉆錨一體化智能快掘成套裝備在可可蓋煤礦進行了工業(yè)性試驗，設(shè)備下井前調(diào)試場景如圖11所示，突破了以鉆錨一體化錨桿與灌注式錨固劑為核心的快速鉆錨、高可靠錨固，破解了裂縫圍巖鉆孔裂縫、鉆孔積水條件下的支護慢、錨不住等制約巷道快速掘進的難題。在可可蓋煤礦復(fù)雜條件巷道運行鉆錨一體化成套快掘裝備2套，掘進巷道共計12 600 m，常態(tài)化月進尺約800 m，最高月進尺931 m。在延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司運行鉆錨一體化成套快掘裝備1套，已掘進巷道約2 400 m，可可蓋煤礦鉆錨一體化智能快掘成套裝備井下安裝場景如圖12所示。

圖11 可可蓋煤礦鉆錨一體化智能快掘成套裝備下井前調(diào)試

圖12 可可蓋煤礦鉆錨一體化智能快掘成套裝備井下安裝場景

鉆錨一體化智能快速掘進的應(yīng)用成效

鉆錨一體化智能快速掘進設(shè)備與現(xiàn)有掘進技術(shù)與裝備相比，應(yīng)用成效體現(xiàn)為以下4個方面。

(1）采用掘支錨運分區(qū)并行協(xié)同快速掘進模式后，掘支平行，掘進與支護不再交叉影響，大幅提升掘進速度。

(2）采用新型鉆錨一體化錨桿后，錨桿安裝6道工序簡化為1道連續(xù)工序，錨桿鉆錨一體化自動安裝，單根錨桿作業(yè)時間<3 min，減少作業(yè)人員20%，人員工效顯著提高。

(3）鉆錨一體化錨桿實施后，錨桿承載力、錨固力大幅提高，增加錨桿間排距，減小支護密度，改變了當前錨桿支護密度過大，制約巷道快速掘進的難題。

(4）新型560 k W大功率掘錨一體機，提升了掘錨一體機對煤-巖巷道的適應(yīng)性，推動了掘錨一體機在復(fù)雜條件巷道的落地應(yīng)用。

鉆錨一體化智能快速掘進的行業(yè)價值

鉆錨一體化智能快速掘的應(yīng)用，減少掘進工作面作業(yè)人員，不再采用人工卸鉆桿打錨桿，減輕工人勞動強度，保證掘進安全度和工人職業(yè)健康，滿足智能化礦井建設(shè)要求，多項技術(shù)為全行業(yè)首次應(yīng)用，引領(lǐng)了行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向，鉆錨一體化智能快速掘進行業(yè)價值主要包括3個方面。

(1）為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐

鉆錨一體化智能快速掘進關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，破解裂縫發(fā)育富水煤巷掘進智能化、采掘接替緊張、頂板安全行業(yè)難題。裝備工程示范成功后，推動西部復(fù)雜條件煤礦巷道快掘掘進的技術(shù)革新，具有示范引領(lǐng)作用。

(2）破解了煤礦智能化掘進“卡脖子”難題

鉆錨一體化錨桿簡化安裝工序，首次具備了自動安裝的硬件基礎(chǔ)。在煤礦錨桿自動化、智能化支護技術(shù)方面走在世界前列，領(lǐng)先國外同類技術(shù)。

(3）促進我國西部煤礦千萬噸礦井千米快速掘進安全高效建設(shè)的技術(shù)變革。

鉆錨一體化智能快速掘進關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備，解決了我國西部煤礦千萬噸礦井軟弱富水裂隙發(fā)育煤層快速掘進的難題，在陜北煤炭基地巷道快速掘進具有應(yīng)用潛力和價值。提供了可復(fù)制、可借鑒、可推廣的智能快掘新模式。

總結(jié)

(1）針對陜北侏羅紀煤田富水裂隙發(fā)育圍巖的復(fù)雜地質(zhì)條件，研發(fā)了鉆錨一體化錨桿、灌注式錨桿錨固劑、鉆錨一體化快速支護裝備以及“一鍵打錨桿”的智能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，并在可可蓋煤礦進行了工業(yè)性試驗。

(2）鉆錨一體化智能快速掘進關(guān)鍵技術(shù)與成套裝備的主要技術(shù)創(chuàng)新為通過鉆錨一體化技術(shù)，將傳統(tǒng)6道錨桿施工工序簡化為1道，顯著提高了錨桿支護效率，單根錨桿作業(yè)時間<3min。

(3) 560 k W大功率掘錨一體機的高效掘進，提高了對煤巖巷道的適應(yīng)性，首次實現(xiàn)了錨桿自動安裝，處于國際領(lǐng)先水平。鉆錨一體化技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下滿足巷道掘進速度和安全性，適用于富水裂隙發(fā)育的圍巖條件。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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