煤礦井下高效綜掘及圍巖變形趨勢的研究

樊建龍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

煤炭是我國的基礎性能源資源，在國民經濟發展中占據著十分重要的地位，對煤炭的需求量不斷增加，因此對井下煤炭的綜掘提出了更高的要求。目前，我國煤炭井下綜掘主要是以半自動化為主，人員需求量大、綜掘效率和國際先進水平存在著較大的差距。在井下支護選擇、智能化聯動開采方面未進行系統性的研究，無法對井下高效綜掘的推廣提供理論支撐。目前靠人工經驗的方式存在著較大的不足，因此需要對井下巷道變形及智能高效綜掘進行系統性的研究，為進一步提升井下綜掘的智能化程度奠定基礎。

1 井下高效掘進控制系統

隨著綜掘裝備水平自動化程度地不斷提升，要想進一步提高井下綜掘效率，就需要建立起各設備智能聯動運行控制系統，實現從圍巖狀態探測、掘進機智能掘進、井下智能支護、物料運輸及井下綜掘工作面各設備運行狀態監測的全面智能化和“一個流”的綜掘運行控制[1]，因此根據井下綜掘工藝流程，本文所提出的井下高效綜掘控制系統整體結構如圖1 所示。

圖1 井下綜掘智能控制系統示意圖

圍巖探測智能化系統，該系統主要是對井下圍巖的硬度、分布情況等進行探測，為后續掘進機的智能化自動截割提供數據支撐，由于井下綜掘效率的提升，因此要圍巖探測智能化系統需要具有較快的探測速度和分析能力，目前常用的主要是提前根據地質探測結果，建立圍巖分布三維模型，然后再利用超聲波輔助探測的方式確保圍巖狀態探測的可靠性，探測速度快、精度高。

掘進機智能化掘進系統，掘進機的智能掘進是煤礦井下綜掘智能化的核心，掘進機需要在接收到系統提供的圍巖狀態信息后，自動調整掘進姿態、掘進參數，實現無人化的自動截割作業[2]。為了保證掘進機在井下智能掘進的可靠性，開發了激光陀螺儀井下慣性導航，實現了掘進機在井下±0.1 m 的定位精度，開發了機器視覺監測和傳感器智能監測為核心的截割姿態控制系統，實現了掘進機±0.02 mm 的姿態控制精度，滿足了掘進機井下智能化掘進時的精度需求。

錨桿支護智能化控制，井下巷道支護的穩定性直接關系到井下綜掘作業時的安全性，而巷道支護的效率則直接決定了井下綜掘作業的效率，傳統的錨桿支護采用了人工打孔、支護模式效率低、精度差，難以滿足井下智能化高效綜掘的需求。因此本文提出了一種新的錨桿支護智能化控制系統，以掘錨一體化鉆機為核心，鉆機接收智能化掘進系統的控制信號后進行智能化鉆孔和取放支護錨桿，實現了井下掘錨的同步作業。

智能化運輸系統，該系統主要是根據掘進機的掘進速度，自動調整物料輸送設備、轉運設備的運行速度，實現物料的“無堆積”化運行，消除因物料轉運不及時而導致的綜掘進度滯后現象。

視頻監控智能化，主要是在綜掘面建立起高清的視頻監控系統，便于地面控制中心人員對井下綜掘面各設備的運行情況進行直觀地監測，提高設備運行的穩定性。由于井下的綜掘環境較為復雜、能見度低，因此在通過對多種視頻監測方案進行對比后，確定了以高清成像為基礎，以熱成像為補充的視頻監控系統，確保了不同環境下視頻監控的效果，井下熱成像監測和傳統視頻監測對比結果如圖2 所示[3]。

圖2 不同視頻監控效果對比

2 巷道圍巖穩定性研究

井下巷道圍巖的穩定性直接關系到智能綜掘效率和安全性，我國多數煤礦井下的綜掘工作面都成矩形且跨度較大，在綜采擾動和礦壓波動的情況下極易出現巷道變形、垮塌，影響井下智能綜掘的安全性，目前多數支護方案主要是依據經驗進行[4]，精確性和可靠性均較差，因此本文利用三維建模及仿真分析軟件[5]，對不同巷道寬度情況下的圍巖變形情況進行分析，結果如圖3 所示。

圖3 井下圍巖變形示意圖

由實際分析結果可知，當巷道的寬度大于4.5 m后頂板下沉量、底鼓量、頂底板相對移近量、兩幫相對移近量都迅速增加，且根據實際觀測，在頂板和底板位置均出現了明顯的離層現象，當井下巷道寬度小于4.5 m 時，巷道圍巖的變形量在較小的范圍內，且未出現明顯的離層現象，對支護的要求較低。

因此通過以上分析可知，當巷道的寬度小于4.5 m的情況下，由于巷道穩定性高，因此更便于實現井下的智能化聯動綜采作業；當巷道的寬度大于4.5 m時，由于巷道的穩定性變差，因此需要合理規劃井下支護方案，保證巷道支護的穩定性，為實現智能化聯動綜采奠定基礎。

3 結論

1）井下智能化高效綜掘控制系統的核心是實現從圍巖狀態探測、掘進機智能掘進、井下智能支護、物料運輸及井下綜掘工作面各設備運行狀態監測的全面智能化和“一個流”的綜掘運行控制；

2）當巷道的寬度大于4.5 m 時，巷道的穩定性變差，需要合理規劃井下支護方案，保證巷道支護的穩定性，確保智能化綜掘控制的一致性。