綜采工作面超前巷道自動化輔助作業技術現狀與展望

張德生，任懷偉，卞 冀，徐亞軍

1天地科技股份有限公司開采設計事業部 北京 100013

2中國煤炭科工集團唐山研究院有限公司 河北唐山 063012

智能化是當前煤炭綜采技術發展的重點和熱點，以工作面“三機”自動化引領的智能綜采技術逐步發展成熟，在地質條件較好的工作面已形成“無人操作、有人巡視，順槽集中控制”的智能化開采模式[1-2]。綜采工作面超前兩巷是煤流、人流和物流的主通道，且超前段是頂板事故的多發區，在超前20 m 以上的支護區范圍內，設備繁多、工序復雜，如大部分礦井單體支柱搬運等工作仍需人力操作，成為制約智能化開采的瓶頸。

提高超前巷道 (順槽) 輔助作業機械化、自動化程度，實現多設備協同控制，減少作業人員數量是近年來研發和應用的重點。在超前支護方面，經過近20 年的發展和完善，超前液壓支架已成為各種類型礦井安全、高效生產的基本保障[3-4]；在運輸系統方面，轉載機自移裝置 (馬蹄爾) 不斷成熟并向大推移行程發展[5-6]；在輔助作業方面，機器人化巡檢和作業裝備不斷涌現[7-8]，國家煤礦安全監察局《煤礦機器人重點研發目錄》提出了巷道清理機器人等輔助機器人裝備的要求[9]，推動各類輔助作業機器人加速發展。在上述裝備自動化發展的基礎上，超前支護裝備、運輸裝備和協同推進控制技術也有了初步進展[10]。

當前，煤炭企業把握技術發展的新趨勢，大力實施開采技術裝備升級、減員提效，為超前巷道輔助作業新技術推廣應用提供了重要機遇。通過對輔助作業自動化技術分析和展望，并介紹最新發展成果，以期為相關技術裝備的開發和應用提供參考。

1 綜采工作面超前巷道輔助作業

1.1 超前巷道基本功能和輔助作業類型

在長壁綜合機械化開采工藝中，工作面超前巷道承擔煤流外運、綜采工作面材料內運、裝備動力和材料輸入，以及保障人員和設備安全作業空間等基本功能，相應的基本系統包括承擔煤流外運的轉載機和帶式輸送機主煤流運輸系統、運輸動力設備和管路的設備列車輔助運輸系統、控制圍巖的超前支護系統及巷修工程等輔助作業系統 (見圖 1)。在工作面推進過程中，需要進行轉載機和帶式輸送機的移動，超前支護系統的前移，液、電、氣供給管路的回撤，巷道治理等大量輔助作業，上述工序具有復雜化、離散化等特點，難以實現程序化控制，造成人員經常性集中作業，限制了綜采工作面及兩巷設備協同推進，成為智能化開采的最大障礙。

圖1 工作面及超前巷道設備布置示意Fig.1 Layout of equipments in advanced roadway and working face

為此，重點對空間維護 (支護設備群)、煤流 (轉載機+帶式輸送機)、動力流和信息流 (管路群)、巷修作業 (輔助裝備) 等管理和維護系統進行分析。

1.2 超前支護系統

《煤炭安全規程》規定：采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護的巷道長度不得小于 20 m。傳統超前支護是以單體支柱支撐，隨工作面推進，單體支柱從后向前移動，反復搬運與支設工作，勞動強度大。條件差的巷道支護密度大，人工移動危險性更高。為減少操作人員，提高超前支護效果，近年來重點發展的雙列多節邁步式超前支架 (見圖 2) 可有效加強巷道超前段及端頭后方巷道的頂板支護，通過配置電液控制系統，實現交替邁步式前移，大大簡化了操作流程，提高了工效，保證工作面采煤作業順利進行，現已逐步發展成熟，在各類地質條件礦井均有應用[11]。

圖2 運輸巷超前支護系統Fig.2 Advanced supporting system in conveyance roadway

存在問題：頻繁的降柱-移架操作帶來反復支撐，破壞頂板和原有錨網系統，對于頂板條件差或壓力顯現明顯超前巷道的適應性較差，制約了其推廣應用，因此傳統單體超前支護方式仍在大量應用。

1.3 煤流輸送系統

當前，運輸巷的煤流輸送裝備群形成了以“轉載機+自移機尾+帶式輸送機”的成熟配套模式，自移裝置作為轉載機與帶式輸送機的中間銜接裝置 (見圖3)，具有輸送帶跑偏調整、轉載機推移方向和自行前移等功能，廣泛應用于高產高效工作面。通過人工操作液壓閥，可實現轉載機、帶式輸送機機尾的自動前移，達到工作面快速推進目的，并通過引入電液控制系統，實現了自動化前移。

圖3 轉載機自移裝置Fig.3 Self-moving device for transfer conveyer

存在問題：大采高工作面轉載點煤流系統大塊堵卡時，需要停機處理，由人工輪錘或手持風鎬進行破塊，停機時間十幾分鐘至 1 h 以上，無法保證煤流系統的連續運行；帶式輸送機托輥架的回撤仍需大量的人工輔助作業。

1.4 設備列車和管路系統

綜采工作面設備列車是乳化液泵站、移動變電站、各類監控中心、電纜盤和材料等的工作載體，一般在距采煤工作面 40～200 m 的范圍內，隨工作面回采整體移動，保證系統高速推進，成為綜合機械化開采的必備裝備；各類管路系統則掛設在煤壁上，由人工拆卸，通過車輛運輸回撤，如圖 4 所示。

圖4 設備列車及管路系統Fig.4 Equipment train and pipeline system

存在問題：通用設備列車是“絞車+軌道”模式，回撤移動時將后部軌道拆除，移至前端。絞車操作、軌道運輸和鋪設均需人工完成，無法實現自動化連續推進；供水管路、供液管路也需邊回采邊拆除，人力消耗大。

1.5 其他輔助作業

(1) 巷修作業 由于強礦壓作用造成巷道變形大，影響設備通過，且具有安全隱患，必須采取修復和加強支護作業，以保證安全通行和作業空間。主要包括鉆孔、起底、擴幫等作業。

存在問題：目前采用的單鉆機作業和人工起底方式勞動強度大，作業效率低，單班甚至達到數十人同時作業。

(2) 退錨作業 從圍巖控制和采空區安全角度出發，對于回采巷道，回采前需依靠錨索維護采前穩定，回采后需及時垮塌。當錨索過強支護時，工作面推進后回采巷道頂板滯后垮落，產生大面積懸頂，相臨巷道應力增大，并容易導致瓦斯和有害氣體積聚，給煤礦生產帶來一定的安全隱患，因此需要將錨索的鎖具退出以解除錨固作用，并回收托盤、鎖杯等材料。

存在問題：退錨機具鎖片拆除環節需要人工介入，危險性大，對于銹蝕等情況，錨索退錨率低，一般需要 3 人以上協同作業。

2 超前巷道輔助作業機械化與自動化新進展

2.1 超前支護新技術

針對雙列多節式超前支架沿工作面走向等強度支護的不足，提出適用于多數巷道超前支護的“低初撐力、高工作阻力”超前液壓支架支護理念和非等強支護控制方法[12]，以巷道變形量和超前應力集中 2 個參數作為穩定性控制指標，采用低初撐力以減輕對頂板接觸區域和錨桿的破壞，高工作阻力以抵抗頂板沖擊載荷破壞，和錨桿支護系統協同發揮支護作用，提高了超前液壓支架的適應性。同時，非等強支護控制方法為沖擊地壓礦井超前巷道 70 m 以上超長距離支護裝備設計和布設提供了理論支撐。

針對反復支撐破壞頂板的問題，近年來先后發明了搬運車載運[13]和單軌吊運式[14]無反復支撐液壓支架。中煤科工太原研究院發明的搬運車轉載式 (見圖5(a)) 包括無軌防爆膠輪車、升降平臺以及旋轉夾緊裝置，旋轉夾緊裝置布置于升降平臺上，通過升降實現超前支架的接頂、脫頂和旋轉，并由搬運車實現轉載動作；天地科技發明的單軌吊運尾變首式超前支護系統 (見圖 5(b))，可通過單軌吊的轉載實現尾變首式移動。上述 2 種方案可從根本上解決反復支撐對頂板的擾動破壞問題，目前已在雅店煤礦、口孜東煤礦等復雜條件礦井推廣應用。

圖5 超前液壓支架架型新發展Fig.5 New type of advanced hydraulic support

2.2 煤流系統保障

針對大塊煤和矸石這一影響煤流系統連續運行的重要障礙[15]，為減輕工人勞動強度，提高作業效率和安全，利用沖擊原理的機械破碎裝置，對大采高工作面大塊煤進行破碎的各種嘗試不斷出現。天地科技開發的乳化液拍擊式大塊破碎技術[16]，其沖擊加速性能可達 7g以上[17]，在有限的高度空間內達到盡可能好的破塊效果，適用于轉載機入口大塊煤的破碎 (見圖6(a))；一種具有大塊煤預破碎功能的過渡槽及刮板輸送機[18]則在卸載區安裝電動機直驅齒輥式連續破碎裝置，解決了工作面輸送機卸載點和轉載機入口點大塊煤堵塞難題 (見圖 6(b))，可在不停機狀態下實現大塊煤的破碎。

2.3 設備列車輔運系統

針對傳統設備列車移動作業步驟復雜、操作人員數量多的問題，中煤科工太原研究院等單位開發了邁步自移設備列車[19-20]，以液壓為動力，自帶軌道，實現列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能，前方錨固拉移裝置帶動整個設備列車邁步式前移 (見圖 7)，通過電液控制和無線遙控操作，進一步提高了作業安全和效率。

2.4 巷道控制輔助作業技術

底鼓一直是我國巷道支護的頑疾，注漿、錨桿與錨索加固是控制巷道底鼓的有效方式。水力壓裂卸壓、放頂技術是近年來新發展的一項技術。上述作業均需完成不同方位和深度的鉆孔作業。現有鉆機質量與體積較大，在巷道內搬運、穩定困難，鉆孔位置不容易精確掌握 (見圖 8(a))，為此專門開發了牽引式輕便型多功能鉆機平臺 (見圖 8(b))。

針對懸頂退錨作業難題，天地科技發明了一種卡盤式自動退錨裝置[21]，在傳統退錨千斤頂的基礎上，增加了三爪液壓卡盤和聯接部，配套新型外沿結構鎖片，實現張拉松錨及退錨的一體化作業，避免了人工撥片等危險作業。在山西王坡煤礦某巷道進行了錨索退錨作業試驗，效果良好 (見圖 9)。

圖8 鉆機平臺Fig.8 Drill rig platform

圖9 卡盤式退錨裝置Fig.9 Bolt-retreating device with cartridge

3 超前輔助作業發展方向

3.1 發展趨勢

隨著煤炭資源的開發向深部轉移，超前巷道條件日趨復雜[22]，對超前巷道支護和圍巖控制要求不斷提高，巷修等輔助工作量也隨之加大；智能采煤技術的快速發展，也要求兩巷作業自動化水平進一步提升。因此，超前巷道輔助作業將向以下方向發展：

(1) 圍巖控制作業一體化 超前巷道多裝備一體化是必然趨勢。系統考慮圍巖控制的時空效應，“采前修復—超前支護—采后卸壓”一體化作業如圖10 所示，將修復平臺和退錨作業與超前支架集成一體，實現全方位自動化控制。

圖10 一體化作業示意Fig.10 Sketch of integration operation

(2) 裝備功能集約化 減人提效是發展輔助作業自動化技術的目標。分散作業裝備和崗位的集中，必須要求裝備功能集約化。如轉載運輸機和起底設備等的結合，實現“鏟-裝-運”集成功能，提高裝備適應性，減少作業人員。

(3) 控制協同化 改變傳統的離散人工就地控制方式，將轉載機、帶式輸送機機尾、設備列車、大塊破碎裝置等集成到統一的監測和控制平臺，與工作面的推進相銜接，實現基于開采工藝與工序的設備協同推進。

3.2 共性關鍵技術

(1) 精確定位和導航技術 精確定位和導航技術是設備調控的基礎，也是人員安全的保證。當前超前液壓支架的自移、設備列車糾偏、人員接近保護等均需高精度定位的支持，是需解決的共性關鍵問題。

(2) 圖像處理和識別技術 超前巷道圍巖的工況監測、煤流系統的大塊識別、巷道變形和破壞等智能識別難題，均有望通過圖像感知及處理技術來破解，該技術是超前巷道自動化作業領域的重要支撐。

(3) 機器人化高效作業裝備 高效的執行機構是輔助作業的根本保障，按照《煤礦機器人重點研發目錄》的要求，開發超前支護機器人、搬運機器人、破碎機器人、巷道清理機器人、管道安裝機器人以及各類巡檢機器人。

4 結語

隨著智能化開采的加速發展和推廣應用，目前超前巷道輔助作業已基本實現機械化，正向自動化和智能化方向發展。集成現有先進技術裝備，以圍巖控制為基礎，減員提效為目標，進一步攻克精準定位與導航、智能感知及機器人化作業技術，為煤炭智能化少人化開采提供支撐。