快速掘進技術的優化與應用

張謙文

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公， 山西 壽陽 045400）

隨著以采煤機為代表的全自動化的綜采設備不斷投入應用，煤礦井下的綜采作業效率不斷提升。目前巷道井下掘進能力不足，已經限制了綜采作業效率的進一步提升，經過分析，井下巷道掘進技術落后、支護方案繁瑣、自動化程度低等是影響巷道掘進效率的關鍵因素。為了進一步提高井下綜采作業的經濟性，本文結合煤礦井下實際情況，提出了一種新型快速掘進技術，該技術方案采用了快速臨時支護設備、鋼網架自動拖網機構及智能掘進設備，分別從縮短臨時支護時間、提高錨網支護效率及提升掘進設備運行自動化和穩定化程度方面入手，實現了對井下巷道掘進的優化，顯著提升煤礦井下巷道掘進效率和經濟性，根據實際應用表明采用新的快速掘進技術后，能夠將煤礦井下的巷道掘進效率提升17.4%以上，具有極大的應用和推廣價值。

1 井下快速臨時支護方案

井下巷道在高速掘進的過程中，巷道井下支護是確保掘進安全的核心，特別是在復雜地質條件下，井下巷道的圍巖穩定性差，在掘進過程中容易出現坍塌等事故，因此通常采用增加支護結構，提高支護安全系數來滿足支護穩定性需求。但該技術方案雖然穩定性好，但支護作業工作量大、支護材料成本高、支護效率低，支護時間占據了整個巷道掘進作業的40%以上，嚴重影響了掘進效率。因此如何在確保支護安全的前提下，降低支護周期和成本，便成了井下支護方案優化的核心。

本文提出了一種新的井下巷道掘進快速臨時支護方案，其采用了頂板護棚臨時支護結構，滿足在巷道掘進過程中的臨時支護，同時可以在支護結構的下方形成安全的人行通道，有效地防止在掘進過程中的頂板冒落事故，同時采用了標準化的臨時支護結構，到達支護位置后直接通過液壓機構頂升到支護位置，形成支護結構，隨著巷道掘進作業的進行，可將臨時支護結構轉移到新的支護點上進行重復使用，既能夠降低井下巷道支護時間又能夠降低支護成本，該頂板護棚臨時支護結構如1 所示[1]。

圖1 頂板護棚臨時支護結構示意圖

由圖1 可知，帶臨時支護結構采用了液壓頂升控制方案，支護體的四個支柱采用了頂升液壓缸結構，油缸的連接位置均為銷接，頂部護頂支護面積達到了5 m2，支撐強度高，穩定性好，該臨時支護結構對井下復雜地質條件適應性好、穩定性高，能夠顯著提升煤礦井下巷道掘進作業的穩定性和可靠性。

2 鋼網架自動拖網

巷道掘進過程中為了避免頂板碎石垮落導致出現人員傷亡事故，通常會在巷道內進行拖網上鋼帶處理，通常采用人工操作方式，不僅勞動強度大而且支護效率也極其低下，嚴重影響了上鋼帶的進度，因此本文提出了一種新的鋼網架自動拖網機構，實現了自動上網控制。該拖網架主要由驅動電機和滑道、拖動機構組成，工作時將拖網掛在拖網架上，驅動電機控制拖網架在拖動滑軌內運行，實現自動拖網上鋼帶，根據在煤礦井下的實際測試可知，鋪設10 m長的護網鋼帶，采用人工支護控制時需要5 人配合作業，3 h 完成，當采用全新的鋼網架自動拖網機構后可以實現2 人操作1 h 完成，總體施工效率提升了約7.5 倍，而且能夠實現一次到位，支護質量和安全性得到了極大的提升，該拖網架機構的整體結構如圖2 所示[2]。

圖2 自動拖網架機構

3 智能掘進

傳統掘進方案多采用人工掘進控制，在截割作業過程中依賴于人工操作經驗和井下掘進作業環境，按照“蛇形”截割路徑進行截割，經常出現截割偏移，導致巷道截割成型質量差，反復截割修正的情況，極大的影響了煤礦井下巷道掘進作業效率和穩定性，因此根據長期井下截割作業經驗，提出了一種新型的“回型”截割方案，該方案截割路徑規則，能夠實現采煤機的智能化截割作業[3]，避免了在掘進時的反復修正，提高巷道的一次成型質量，該回字形截割路徑規劃如圖3 所示，根據井下巷道成型要求的不同，截割作業方式可分為“正回”和“逆回”兩種方案。

為了適應“回型”截割作業路徑規劃方案，掘進機采用了記憶截割規劃方案，在掘進作業時掘進機控制鏟板首先掃清浮煤，然后開始進刀，待截割機構完全切入巖壁后停止進刀，截割臂則開始從一端向另一端進行掏槽作業，然后垂直進行截割，按預先設定的“回型”截割路徑進行巷道掘進[4]，實現對巷道的一次成型，該掘進方式的優點在于從巷道外側切入，在截割巷道內側截面時慢速截割，保證巷道截面質量，截面成型后進入到高速截割運動中，從而在確保巷道截面成型質量的前提下提升巷道掘進效率，根據實際應用表明采用智能掘進方案，能夠實現巷道截面一次截割成型，而且巷道截割成型效率提升13%以上。

圖3 回字形截割路徑示意圖

根據在煤礦井下的實際驗證，通過采用綜合快速掘進技術后，巷道的綜合成型效率提升了17.4%以上，實現了絕大多數地形條件下的巷道一次成型作業，巷道成型質量高，穩定性好。

4 結論

針對目前煤礦井下巷道掘進效率低、成型質量差，無法滿足日益增長的煤礦綜采作業效率需求的現狀，本文提出了一種新的井下快速掘進技術方案，其采用了快速臨時支護設備、鋼網架自動拖網機構及智能掘進設備，能夠有效地提升煤礦井下巷道掘進效率，根據實際分析表明：

1）臨時支護結構對井下復雜地質條件適應性好、穩定性高，能夠顯著提升煤礦井下巷道掘進作業的穩定性和可靠性。

2）鋼網架自動拖網控制方案，總體施工效率比人工作業提升7.5 倍，而且能夠實現一次到位，支護質量和安全性得到了極大地提升。

3）智能掘進方案，采用記憶截割控制和“回型”截割控制方案，能夠實現巷道截面一次截割成型，而且巷道截割成型效率提升13%以上。

4）采用綜合快速掘進技術后，巷道的綜合成型效率提升了17.4%以上，實現了絕大多數地形條件下的巷道一次成型作業，巷道成型質量高，穩定性好。