我國煤巷掘進技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀

孫永強

摘 要：巷道掘進技術(shù)及設(shè)備直接影響煤炭開采能力，文章分析了我國煤礦巷道掘進技術(shù)及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其存在機械化程度不高、系統(tǒng)性、自動化程度差等問題，進而探討其智能化、懸臂式、快速掘進的集成化發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：煤礦；巷道掘進技術(shù)；裝備

中圖分類號：TD42 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0153-02

Abstract： Roadway tunneling technology and equipment directly affect the ability of coal mining. This paper analyzes the present situation of coal mine roadway tunneling technology and equipment development in China， and finds that there are some problems， such as low degree of mechanization， low degree of systematicity， poor degree of automation and so on. Furthermore， the integrated development trend of intelligent， cantilever and rapid excavation is discussed.

Keywords： coal mine； roadway tunneling technology； equipment

煤炭資源是我國重要的能源之一，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展做出了重要貢獻。我國煤礦開采強度較大，巷道掘進量極大，給巷道支護質(zhì)量和掘進速度提出了嚴(yán)格要求。巷道掘進速度直接關(guān)系到煤礦開采的效率、產(chǎn)量和安全性[1]。當(dāng)前許多煤礦巷道采掘比例失調(diào)，增加了掘進回采難度，為解決此問題，許多新裝備、新技術(shù)和新工藝不斷產(chǎn)生，自動化、機械化的巷道掘進技術(shù)被大量應(yīng)用，形成運、支和掘進的一體化及智能等是巷道掘進技術(shù)發(fā)展的未來趨勢。這也是降低煤礦開采成本和高效安全生產(chǎn)的重要途徑。

1 巷道掘進技術(shù)現(xiàn)狀分析

錨桿支護及快速掘進技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動著煤礦巷道開采從爆破、人工掘進向機械化的方向發(fā)展。當(dāng)前的機械掘進主要有三種類型：單體錨桿鉆機與懸臂式掘進機配套作業(yè)；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機配套作業(yè)；掘錨一體化作業(yè)。其中，單體錨桿鉆機和懸臂式掘進配套作業(yè)應(yīng)用最廣，具有較好的適應(yīng)性，不足是掘進速度慢[2]；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機配套作業(yè)為換位交叉，受地質(zhì)條件限制，不易廣泛推廣使用。掘錨機組一體化作業(yè)為同步作業(yè)，掘進效率較高，但也受地質(zhì)條件限制，不易廣泛推廣。連續(xù)采煤機主要有工作面回采和巷道掘進兩種功能[3]。隨著巷道設(shè)計理念及掘進量的不斷更新及增加，巷道掘進中連續(xù)采煤機的應(yīng)用不斷拓展。如連續(xù)運輸及間斷式運輸?shù)茸鳂I(yè)方式，在此作業(yè)方式中所用的設(shè)備主要有錨桿鉆車、連續(xù)采煤機、可伸縮式輸送機和連續(xù)輸送系統(tǒng)等；而間斷運輸施工所用設(shè)備主要是帶式可伸縮輸送機、給料破碎機、連續(xù)采煤機、錨桿鉆車和運煤車等。連續(xù)采煤機可完成裝煤、落煤等環(huán)節(jié)，運輸系統(tǒng)和運煤車作業(yè)實現(xiàn)運煤工序，錨桿鉆車完成巷道支護，破碎轉(zhuǎn)載由破碎機完成，且通過局部通風(fēng)機和負(fù)壓通風(fēng)聯(lián)合通風(fēng)方式進行通風(fēng)。由此可見，連續(xù)采煤配套設(shè)備可用于多巷或雙巷掘進，可靈活調(diào)整掘進高度，能夠?qū)崿F(xiàn)支護、掘進平行作業(yè)，掘進尺度大且斷面成形狀況好，施工相對靈活，設(shè)備配套形式多樣。但其不足是截割頭不可擺動，斷面均是矩形斷面，不易管理現(xiàn)場，對地質(zhì)條件要求較高，掘進效率不高且難以確保循環(huán)控頂距。

目前，我國巷道掘進多為掘錨分步施工，相關(guān)統(tǒng)計顯示，單個循環(huán)支護時間為其總時間的60%，截割時間約占20%至30%，其余為系統(tǒng)故障影響時間。巷道掘進成巷效率主要由支護作業(yè)時間決定。同時，如果掘進施工環(huán)節(jié)配套不夠完整，裝備效能不能充分發(fā)揮等也是影響掘進速度的重要因素。在巷道快速掘進研究中，國內(nèi)外常以提升施工的機械化程度和錨桿支護效率為主。為確保掘進速度的高效快速與快速發(fā)展的錨桿支護技術(shù)相適應(yīng)，許多產(chǎn)煤國對其不斷的研究和探索，將錨桿鉆機和掘進機相融合，利用將錨桿鉆機安裝在掘進機上，以一臺設(shè)備同時完成掘進中的錨桿打眼、裝煤、安裝及落煤等功能。研制了掘進、掘錨機組和支護的一體機。

掘錨一體機是掘進機和錨桿支護的集合設(shè)計，但從生產(chǎn)實踐來看，該一體機的應(yīng)用效果不太理想，僅能在特定地質(zhì)條件下獲得應(yīng)用，多數(shù)情況下其掘進率仍很低，不能滿足時代要求，仍然不能解決掘錨平行施工作業(yè)的問題。加上巷道施工工藝及條件限制，對提升巷道掘進效率也產(chǎn)生了一定的影響。

2 巷道掘進技術(shù)及設(shè)備中存在的問題

懸臂式掘進與錨桿鉆機配套的掘進工藝是當(dāng)前我國煤礦開采常用的工藝，但這并非是實現(xiàn)了掘進的機械化，只是在運煤和截割方面實現(xiàn)了機械化，在供水、支護、材料、供電等環(huán)節(jié)仍是以人工為主。在工藝上，錨、掘工序仍是空間內(nèi)有限交替作業(yè)，對安全施工及施工效率都有嚴(yán)重影響。我國掘進技術(shù)同裝備也獲得了極大發(fā)展，但其自動化程度和機械化程度仍較低，智能化技術(shù)應(yīng)用較少。

機械化程度不高和缺乏系統(tǒng)性是當(dāng)前我國懸臂式掘進作業(yè)中存在的問題之一。橋式轉(zhuǎn)載機、錨桿鉆機和懸臂掘進機、帶式輸送機等配套作業(yè)是我國常用的掘進作業(yè)技術(shù)，在此作業(yè)中，各工序不夠集中，需要準(zhǔn)備的時間較長，許多工序仍是以人工來操作，缺乏機械性和系統(tǒng)性，這種作業(yè)環(huán)境并非真正意義上的機械化掘進。同時，在安全及成本等因素的影響下，巷道空間通常狹小，當(dāng)前的掘進技術(shù)需在截割后實施交替支護作業(yè)，支護和截割都在巷道迎頭，操作空間非常有限，給安全及作業(yè)效率帶來嚴(yán)重影響。盡管近年來我國對懸臂式掘進實施了離機遙控和斷面監(jiān)控等研究，且取得一定成果。但仍缺乏在線診斷故障、自動定位導(dǎo)航等核心技術(shù)，巷道掘進裝備的自動化程度仍然不高。

作為系統(tǒng)性工程的巷道掘進由截割工序開始到完工，材料運輸、截割、定向測量、供水、除塵、通風(fēng)及供電、巷道支護等環(huán)節(jié)需要整合并輔以智能化、自動化技術(shù)，以形成均衡聯(lián)系、互相配合的高效率生產(chǎn)系統(tǒng)，方能有效地提高煤礦開采掘進的效率及經(jīng)濟效益。

3 掘進技術(shù)及設(shè)備發(fā)展趨勢

從上述巷道掘進技術(shù)及設(shè)備中存在的問題可知，未來掘進技術(shù)發(fā)展的趨勢主要是集成化系統(tǒng)性、智能化的方向發(fā)展。巷道掘進作業(yè)具有較強的系統(tǒng)性，不斷改進作業(yè)工藝模式需要探索和實現(xiàn)其配套裝備的一體化和自動化掘進，利用成套的快速掘進裝備，通過不同配套模式，實現(xiàn)運輸、支護、掘進平行作業(yè)，為煤礦巷道供電供水、除塵、運輸及支護、控制等成套的解決方案，并增強其適應(yīng)性，能夠應(yīng)用在各種煤層的巷道中。

掘錨機高速掘進系統(tǒng)裝備。快速掘進系統(tǒng)裝備主要是掘錨機，常用于圍巖穩(wěn)定性強且地質(zhì)條件簡單的近水平矩形煤層巷道。裝備系統(tǒng)構(gòu)成為跨騎式錨桿鉆車、破碎轉(zhuǎn)載機（履帶式）、掘錨機、自移動邁步機尾、可彎曲轉(zhuǎn)載機（帶式）、自動除塵及移動式力站等系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)主要在完成掘錨機割煤后利用破碎裝載機（履帶式）轉(zhuǎn)運物料，而后有彎曲轉(zhuǎn)載機運至帶式裝載機。與此同時，錨桿轉(zhuǎn)載車（跨騎式）也完成巷道支護，該鉆車下部中空，安裝在可彎曲轉(zhuǎn)載機上端，可平行、掘錨分離作業(yè)。

懸臂式快速掘進系統(tǒng)。該系統(tǒng)的地質(zhì)適應(yīng)條件較廣，掘進斷面無限制。綜掘式快速掘進裝備由帶式轉(zhuǎn)載機、懸臂式掘進、自移機尾、除塵系統(tǒng)、動力在等構(gòu)成。懸臂式掘進機完成割煤并將物料運至云錨機，由轉(zhuǎn)載機和自移機尾運送到后配套轉(zhuǎn)載機。懸臂式掘進機由多臂錨桿和機載單臂錨桿支護，自帶鉆臂系統(tǒng)完成錨索和滯后錨桿支護，以完成掘錨平行施工。

超前支護+懸臂式掘進系統(tǒng)。該系統(tǒng)不受地質(zhì)條件限制，適用于拱形斷面、矩形巷道掘進。系統(tǒng)構(gòu)成為：懸臂式掘進、自移機尾、臨時支護支架、動力站、帶式轉(zhuǎn)載機、除塵系統(tǒng)及云錨機等。施工流程為完成割煤后，超前臨時支架及時支護頂板，對物料進行截割后通過裝運系統(tǒng)送至云錨機，經(jīng)轉(zhuǎn)載機和自移機尾輸送至帶式轉(zhuǎn)載機。超前鉆探機能夠用于迎頭地質(zhì)異常體的探測，截割時自帶鉆臂系統(tǒng)能夠完成錨索和錨桿支護，以完成平行掘錨作業(yè)。

此外，智能化技術(shù)的應(yīng)用也是掘進技術(shù)的未來方向，是提高掘進效率的重要技術(shù)支持。快速掘進系統(tǒng)中，其巷道掘進能力及效率均與其機械化程度相關(guān)，如果在掘進系統(tǒng)及設(shè)備中有效應(yīng)用智能化技術(shù)，可以大大提高配套設(shè)備的機械化程度。智能化設(shè)備能夠依據(jù)施工現(xiàn)場狀況對工作狀態(tài)進行自動調(diào)節(jié)，還可對工作方式進行自主規(guī)劃。智能化技術(shù)在快速掘進技術(shù)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在自動導(dǎo)航、位姿、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測及遠(yuǎn)程通訊、配套設(shè)備等模塊上。采掘技術(shù)的智能化使煤礦開采裝備走向精細(xì)化，能夠有效地提高掘進效率，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性和高效性，且降低了人力成本。當(dāng)前，世界各國對智能化技術(shù)進行了大量研究，我國一些研究單位及高校也對其進行了探索研究，如對規(guī)劃截割軌跡及自適應(yīng)截割等方面，利用遺傳算法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新算法研究，為提高掘進技術(shù)工程指引了方向。但我國掘進技術(shù)的智能化研究剛剛起步，現(xiàn)有的智能化技術(shù)的應(yīng)用不夠成熟并缺乏可靠性。

在狀態(tài)監(jiān)測、煤巖識別和診斷故障、通訊技術(shù)等方面是國外研究的重點，其將紅外攝像同截割機械振動特征等相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)分析識別煤巖邊界，井下現(xiàn)場試驗和理論分析均獲得了正確結(jié)果，且采用可靠無線傳感器、機載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對其振動、溫度和油液泄露等問題進行動態(tài)監(jiān)測，進而能夠?qū)崿F(xiàn)故障整段的可視化，對于認(rèn)可形式的控制及監(jiān)測系統(tǒng)，都能通過高寬帶網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。有研究將激光掃描技術(shù)應(yīng)用在煤巖分界識別技術(shù)中，試驗顯示激光掃描模式為二進制，此處理方式明顯優(yōu)于紅外攝像機的處理繁瑣，且簡單而快速。采集截割臂運動、工作視頻及截割參數(shù)等參數(shù)并上傳到機載處理器中，與地質(zhì)信息和自動截割控制軟件等相結(jié)合，完成掘進機路徑計劃算法，對各個截割參數(shù)及軌跡進行自動調(diào)整，從而實現(xiàn)了其自適應(yīng)截割。

總之，當(dāng)前我國煤礦掘進技術(shù)所用的設(shè)備均是高自動化、大功率的裝備，提高了工作面的單產(chǎn)，掘進速度得到一定提高。但掘進技術(shù)中仍存在機械化、自動化程度低及系統(tǒng)性不強，缺乏智能化技術(shù)的應(yīng)用等問題。這給掘進配套設(shè)備提出了較高的要求。可見，提高綜掘技術(shù)、智能化和設(shè)備性能等是實現(xiàn)快速掘進的重要保障，也是確保煤礦安全高效生產(chǎn)的重要渠道。

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