煤巷快速掘進系統的發展趨勢與關鍵技術

馬曉鵬

（霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

引言

隨著煤礦自動化和計算機化的發展，截至2011年底，國有大型煤礦的煤炭機械化程度為94%，而廣泛的機械化程度為89.87%。同時，主要煤礦的機械化程度達到了87.38%。但是，巷道作業的機械化、自動化和信息化程度，滲透率和巷道效率遠遠沒有達到煤礦管理的安全有效要求。工作面積比（開發/開挖）從2001 年的1∶2.25 增加到2011 年的1∶3.20。2011 年的道路開挖速度為12.86 m/10 000 t，2012 年的道路開挖速度為13.10 m/10 000 t。煤炭巷道發展的技術水平仍然落后于煤炭生產水平，不能滿足煤炭開采的需求。

1 煤巷快速掘進技術的發展及應用現狀

1.1 優化支護工藝

在增加放氣的條件下，玉武煤業有限公司提出了一些措施，例如更換臨時屋頂支架和優化巷道施工技術。同時，企業應用設施管理知識來優化過程標準時間，從而提高了煤路的掘進速度。

德國DSK 公司在距井底20～30 m 處和井底10 m處對巷道底部進行支撐，以完成地下煤礦大斷面礦井工作的快速開挖。

冀中能源邯鄲礦業集團的云家嶺煤礦正在積極開展機械化開挖和工作組織優化等活動。由于受到屋頂塌陷和井下突跳帶來的困難，該企業正在積極研究拱形斷面的設計，優化斷面結構并改善巷道的應力狀態，從而提高煤巷快速開挖的效率。

1.2 改進掘進裝備

近年來，從土方設備到輔助設備，用于解決煤路快速開挖問題的特殊技術不斷被改進。

JOY 4FCT 柔性皮帶輸送機（以下簡稱4FCT 機器）是一種單人遠程控制連續輸送系統，可以跟隨連續采煤機將物料輸送到面板式皮帶輸送機。運輸機配有動力單元（DMU），可讓傳送帶自動前進或后退。鏈傳動系統沿4FCT的整個長度分布，并且連續的采煤機電力電纜管理支持使操作電纜系統和相鄰設備變得容易。安裝在美國伊利諾伊州煤田的4FCT 沿用JOY 12CM27 連續采礦機進行室內巖心開采，工作高度為2.4 m，最大月產量達到182 300 t，最大日挖掘量為413 m。

興隆莊煤礦借鑒了礦井底移機自走裝置的原理，開發出了一種具有傳送桿階梯式節距的自走裝置，省去了用鏈條拉動尾部的麻煩。

1.3 完善工序設計系統

煤炭企業根據現存地質條件和采礦需求，與有關部門合作開發了一種用于煤巷和后續輔助設備快速開挖的系統。該用于煤巷快速開挖的系統包括起錨機、多連桿錨桿機、雙臂錨桿、皮帶輸送機、破碎機、皮帶輸送機等。巷道，支撐和運輸過程的并行操作以及一次切段以形成巷道的速度，大大提高了掘進速度。

2 煤巷快速掘進模式的發展現狀及應用

2.1 單功能掘進機模式

在2000 年左右，由EBJ-120 引入的懸臂掘進機主要與單螺栓鏜床配合使用（如下頁圖1 所示），已在很多煤礦企業中投入使用。一個隧穿周期需要30～45 min。其中，巷道操作需要10～15 min，支持和其他停工時間約占周期時間的2/3。

圖1 掘進機結構示意圖

2.2 自行式掘錨運模式

連續剪切機、錨桿機、運煤車、穿梭車和連續輸送機軌道系統，平均每月行駛里程可超過2 000 m。2003 年，山灣礦區的某個連續采礦團隊使用一臺機器完成指令，每月工作4 656 m。該設備機動性強、機械化程度高，可用于平行巷道的建設和不同道路的維護。主要缺點是巷道區域行進距離大，經常動員機器和設備，并且需要高水平的路面。

3 關鍵技術問題探討

3.1 掘進與支護速度不協調

挖掘速度緩慢的主要原因是不平衡的挖掘和支撐。長壁采煤機的煤炭切割時間通常在17%～34%之間，而錨桿支撐時間應在50%～67%。隨著掘進機的切割能力持續增長，牽引能力不斷增長，爭議變得更加明顯。

為了減少這種沖突，在每個快速開挖項目中，當屋頂條件允許時，與空頂的距離會增加，并且開挖和支撐的工作空間不會互相干擾，并行操作可以實現。目前，主要解決方案是為掘進工作面的屋頂創造條件，以滿足增加空頂之間距離的條件，并嘗試在下一部分中完成剩余的支撐工作。這僅解決了在更好的條件下操作面部的部分問題，無法大規模推廣。

3.2 錨桿支護機具自動化水平低

巷道掘進機穿透能力的不斷提高和切割一個截面所需時間的減少難以增加錨桿錨固機的鉆臂數量并增加錨固和輔助作業的比例。這就需要巷道工作人員從根本上解決因錨桿支護機具自動化水平低的問題。在神東公司的第一套快速巷道設備（加上6 臺絞車錨機）中，該系統共有14～16 臺錨桿，所有這些都需要4～8 臺錨桿來運行。假設鏡頭中的所有螺栓平均在10～15 min 內收集到，這只能提供當前的高挖掘速度，并且進一步提高速度的可能性是有限的。圖2 所示為宣化華泰礦冶公司生產的CMM2-33 煤礦用液壓錨桿鉆車。該設備是新型的巷道支護機械，該機與掘進機配合使用，主要用于煤巷及半煤巷掘進工作面支護作業，能夠實現頂板及側幫同時作業，還具有在硬度f=3～8的煤、巖層鉆炮孔及探測孔等功能，巷道支護寬度在3.5～5.5 m 以上，支護高度為3.5～4.5 m，適應巷道工作坡度±14°。

圖2 CMM2-33 煤礦用液壓錨桿鉆車

4 結語

快速煤巷系統的研究和建設尚處于起步階段，許多理論、概念和具體問題仍有待完善。在掘進過程中，掘進技術和輔助設備，作業設備和輔助設備的局限性仍有待探索；不同地質條件的煤礦面臨的主要矛盾和具體技術難題是不同的，都需要消除。因此，煤礦企業需要根據煤炭自身條件和要求，開發和研究不同形式和水平的快速挖掘技術。