煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

鄂爾多斯市營(yíng)盤壕煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，目前，我國(guó)90%以上的煤炭產(chǎn)量來(lái)自于井工開采，礦井的深度淺則幾十米、幾百米，深則像平頂山天安煤礦、山東唐口煤礦等大型煤礦的礦井深度已經(jīng)超過(guò)1000m。隨著開采深度的不斷增加，井下煤巖巷道的開掘量也不斷增大。在這一背景下，煤炭生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)著力創(chuàng)新井下掘進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步完善機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)體系，在保證煤炭正常供應(yīng)的前提下，為煤炭生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1 煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 煤巷高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

（1）綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)所使用的機(jī)械設(shè)備包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、單體錨桿鉆機(jī)以及井下通風(fēng)除塵設(shè)備。綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展與演變，機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)作業(yè)效率大幅提升。其中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要性能指標(biāo)如表1所示。從表1中可以看出，AM50和S-100型懸臂式掘進(jìn)機(jī)自重量輕、功率小、安全穩(wěn)定性低，適用范圍具有一定的局限性。而EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)采用無(wú)支重輪履帶行走機(jī)構(gòu)與履帶導(dǎo)向輪黃油缸張緊裝置，行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較高。液壓系統(tǒng)中設(shè)置了自動(dòng)加油裝置，節(jié)省了大量油耗。尤其是該機(jī)型的電氣系統(tǒng)首次引入了PLC技術(shù)，PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器，使掘進(jìn)機(jī)械具備了自動(dòng)化故障診斷功能，進(jìn)而延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的使用壽命[1]。

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要性能指標(biāo)

隨著科技水平的逐年提升，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的市場(chǎng)份額也不斷擴(kuò)大，年進(jìn)尺已經(jīng)超過(guò)8000m，例如國(guó)內(nèi)某大型煤礦在應(yīng)用EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)型時(shí)，月進(jìn)尺達(dá)到905m，因此綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)在井下巷道掘進(jìn)工序中被普遍推廣應(yīng)用。但是，由于該掘進(jìn)工藝只能進(jìn)行單巷掘進(jìn)作業(yè)，支護(hù)類型屬于單體錨桿支護(hù)，因此在作業(yè)時(shí)，無(wú)法同步進(jìn)行掘進(jìn)與支護(hù)，給作業(yè)生產(chǎn)效率造成了不利影響。

（2）連續(xù)采煤機(jī)高效掘進(jìn)技術(shù)。該掘進(jìn)技術(shù)適用于作業(yè)面寬度較大的井下巷道，例如在矩形斷面的雙巷道或者多巷道中被廣泛使用。其工作面運(yùn)輸方式主要包括間斷式運(yùn)輸和連續(xù)性運(yùn)輸。間斷式運(yùn)輸所配置的機(jī)械設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)、運(yùn)煤車、錨桿鉆車、膠帶輸送機(jī)等。連續(xù)性運(yùn)輸所配置的機(jī)械設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)、錨桿鉆車、鏟車、膠帶輸送機(jī)等。該技術(shù)的主要工作原理是錨桿鉆車處于回風(fēng)巷道時(shí)，進(jìn)行錨桿支護(hù)施工，當(dāng)采煤機(jī)完成一個(gè)完整的工作循環(huán)工序后，與錨桿鉆車互換位置，并在兩條巷道間隔50m的位置掘出一條聯(lián)絡(luò)巷道。國(guó)內(nèi)某大型煤礦在應(yīng)用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)技術(shù)時(shí)，月度最高進(jìn)尺數(shù)達(dá)到7802m，幾乎是綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)掘進(jìn)尺數(shù)的10倍。

（3）掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)。掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)是基于綜合機(jī)械化與連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新型的井下巷道掘進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)的最大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于使用同一臺(tái)掘進(jìn)設(shè)備可同時(shí)完成掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)許多大型煤礦相繼引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)采用的掘錨機(jī)組主要包括兩種，一種是以懸臂式掘進(jìn)機(jī)與機(jī)載錨桿機(jī)相結(jié)合的掘錨機(jī)，另一種是以連續(xù)采煤機(jī)為主的掘錨機(jī)組。按照井下掘進(jìn)作業(yè)方式劃分，包括掘錨一體化作業(yè)的機(jī)組和先截割后支護(hù)的機(jī)組。目前，我國(guó)在用的掘錨一體化作業(yè)機(jī)組的代表機(jī)型是ABM20，而先截割后支護(hù)的代表機(jī)型是12CM15-15DDVG。ABM20掘錨機(jī)組可以同時(shí)進(jìn)行截割作業(yè)與錨桿安裝作業(yè)，這樣可以大幅度提升割煤速度。在實(shí)際作業(yè)中，機(jī)組的行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)組和錨桿機(jī)同時(shí)行進(jìn)，并反復(fù)掘進(jìn)作業(yè)。在ABM20掘錨機(jī)組試驗(yàn)階段，月度進(jìn)尺數(shù)能夠突破900m大關(guān)。12CM15-15DDVG掘錨機(jī)組則適用于巷道斷面為矩形的掘進(jìn)作業(yè)中，在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，當(dāng)頂煤厚度超過(guò)500mm以上時(shí)，循環(huán)進(jìn)尺數(shù)能夠達(dá)到12m，月度掘進(jìn)進(jìn)尺數(shù)將超過(guò)1200m。但是，與懸臂式掘進(jìn)機(jī)以及連續(xù)采煤機(jī)相比，掘錨機(jī)組體積龐大，對(duì)井下作業(yè)面的空間要求較高，如果巷道狹窄，掘錨機(jī)組則難以進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)[2]。

1.2 半煤巖巷高效掘進(jìn)技術(shù)

在井下巷道斷面中，如果煤層占比大于20%而小于80%時(shí)，該巷道被稱為半煤巖巷，在我國(guó)現(xiàn)有的煤礦中，半煤巖巷類型的礦井占據(jù)較大比例。在半煤巖巷開采過(guò)程中，機(jī)械設(shè)備類型主要以中型和重型機(jī)為主，且截割功率需要達(dá)到120kW以上，機(jī)械自重量達(dá)到35t以上。目前，半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)多以EBJ-120TP型、EBZ160TY型以及S150J型為主，在井下掘進(jìn)作業(yè)中，這三種機(jī)型的使用量占據(jù)所有掘進(jìn)機(jī)型的80%以上的份額。

以EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)為例，該機(jī)型的截齒單刀作用力達(dá)到4500N以上，當(dāng)巖層硬度等級(jí)為6～8時(shí)，EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)能夠快速完成破巖工序。當(dāng)掘進(jìn)井下巖層時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)阻力不斷增大，為了延長(zhǎng)截齒的使用壽命，應(yīng)降低截割速度，并提高截割單刀作用力。為了便于調(diào)速，盡量選擇雙速截割電機(jī)的掘進(jìn)機(jī)型，以EBZ160TY型掘進(jìn)機(jī)為例，該機(jī)型不但易于調(diào)速，而且在降低或者升高速度時(shí)，其電機(jī)功率始終保持不變，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，單刀作用力增大近一倍，從而大幅度提升生產(chǎn)作業(yè)效率。例如國(guó)內(nèi)某大型煤礦，其井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于含硬硫化鐵結(jié)核的半煤巖巷，其硫化鐵結(jié)核的硬度系數(shù)達(dá)到12以上，煤層的平均厚度在1m左右，而且底板位置的鋁質(zhì)泥巖厚度平均值達(dá)到1.0m，這種泥巖層松軟易膨脹，掘進(jìn)難度較大。針對(duì)這種類型的半煤巖巷，應(yīng)對(duì)薄煤層半煤巖巷的掘進(jìn)工藝進(jìn)行創(chuàng)新改良，故該煤礦選用了EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，月進(jìn)尺數(shù)達(dá)到605m，同時(shí)由于作業(yè)全過(guò)程機(jī)械化程度較高，因此減輕了井下工人的作業(yè)強(qiáng)度，而且也節(jié)省了大量作業(yè)成本。

1.3 巖巷高效掘進(jìn)技術(shù)

巖巷是指井下巷道斷面中，巖層占據(jù)80%以上的比例，巖巷分布的巖石層較多，而原煤數(shù)量較少，一般作為通風(fēng)與采煤通道用途。由于巖石層硬度系數(shù)大，如果僅借助掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行破巖作業(yè)，不僅作業(yè)效率低，而且機(jī)械壽命將大幅縮減。因此，我國(guó)多數(shù)煤礦在巖巷掘進(jìn)作業(yè)中，依然以鉆爆技術(shù)為主。目前，國(guó)內(nèi)煤礦使用頻率較高的巖巷掘進(jìn)技術(shù)以鏟斗式裝巖機(jī)作業(yè)線為主，但是，相比于全液壓鉆車配側(cè)卸裝機(jī)作業(yè)線，該技術(shù)掘進(jìn)尺數(shù)少，作業(yè)效率相對(duì)較低[3]。下面著重對(duì)全液壓鉆車配側(cè)卸裝巖巷高效掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行闡述。以CMJ17履帶式全液壓鉆車配ZC-3履帶式側(cè)卸裝巖機(jī)為例，該作業(yè)線采用雙臂鑿巖的方式，兩側(cè)懸臂同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，破巖速度達(dá)到0.8～2.0m/min，由于該作業(yè)線安裝了鑿巖機(jī)自動(dòng)返回與防卡釬裝置，因此作業(yè)安全系數(shù)高，便于作業(yè)人員操作。這一掘進(jìn)系統(tǒng)機(jī)身體積較小，重心偏低，并且具有較強(qiáng)的爬坡能力。另外，由于井下作業(yè)條件惡劣，機(jī)械噪聲較大，而該作業(yè)線在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，噪聲值完全符合井下作業(yè)規(guī)定的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，由此可見，利用該技術(shù)能夠有效改善井下作業(yè)環(huán)境。

2 煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）掘錨一體化技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)。由于掘錨一體化技術(shù)適用范圍廣，支護(hù)效果好，并且能夠同時(shí)同步進(jìn)行掘進(jìn)與支護(hù)，因此該技術(shù)將成為井下掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的主流技術(shù)。近年來(lái)，世界各國(guó)積極對(duì)掘錨一體化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并在截割與裝運(yùn)機(jī)構(gòu)方面大做文章。例如以12CM15-15DDVG掘錨機(jī)組為例，該機(jī)組的總功率達(dá)到586kW，機(jī)組總重為65t，截割高度最大值達(dá)到4.6m。采用這種新型機(jī)組，成巷速度提高65%以上，月度進(jìn)尺數(shù)也超過(guò)1200m。

（2）多種配套設(shè)備相結(jié)合的高效掘進(jìn)技術(shù)。防塵減噪始終是井下掘進(jìn)作業(yè)中的兩大關(guān)鍵要素，如果除塵效果欠佳，不僅影響掘進(jìn)作業(yè)效率，還容易給作業(yè)人員的身體健康帶來(lái)負(fù)面影響。現(xiàn)有的井下除塵方式以噴霧除塵為主，這種方式除塵效率的最高值只能達(dá)到70%左右。因此，在提升掘進(jìn)作業(yè)效率的同時(shí)，應(yīng)在掘進(jìn)系統(tǒng)中安裝高效除塵系統(tǒng)。另外，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進(jìn)作業(yè)中隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)不安全因素，因此為了構(gòu)建一個(gè)全方位、立體化的井下監(jiān)視系統(tǒng)，可以結(jié)合三維可視化技術(shù)，對(duì)井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保作業(yè)安全。由此可見，基于我國(guó)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，多種配套設(shè)備相結(jié)合的高效掘進(jìn)技術(shù)將引領(lǐng)煤礦開采的未來(lái)發(fā)展方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，關(guān)于煤巷、半巖巷、巖巷掘進(jìn)技術(shù)的選擇，首先，應(yīng)考慮我國(guó)煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與煤層分布情況，合理選擇掘進(jìn)技術(shù)。其次，在實(shí)際作業(yè)中，技術(shù)人員應(yīng)不斷積累實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，并不斷對(duì)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。最后，應(yīng)始終保持謙遜的態(tài)度，積極學(xué)習(xí)和借鑒成功的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)注入源源不斷的內(nèi)動(dòng)力。