淺談煤礦巷道快速掘進技術(shù)與裝備選型

盧團部，鞏孔正，李 軍，李曉寧

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710201）

引言

煤礦采掘是礦井生產(chǎn)工作中的重要環(huán)節(jié)，我國90%的煤礦為井下煤礦，產(chǎn)能占比80%，因此需要在井下開掘大量巷道。但通過當(dāng)前煤礦開采施工工作的落實情況可以發(fā)現(xiàn)，采掘失衡的問題依然較為突出與普遍，“掘的慢、采的快”對掘進與開采作業(yè)的優(yōu)化發(fā)展帶來了不利影響。所以提升掘進水平和質(zhì)量安全是穩(wěn)定煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)，掘進作為采煤的先決條件，其性能、產(chǎn)量、指標(biāo)對煤礦持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。要切實提高現(xiàn)場采掘效率，還需積極引入并應(yīng)用高效的快速掘進技術(shù)以及先進的成套裝備。

1 快掘技術(shù)及裝備發(fā)展對策

發(fā)展掘錨一體化技術(shù)及快速掘進成套裝備是實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)必然的選擇，主要發(fā)展對策如下：

1）進一步深入研究掘進工藝和支護工藝，實現(xiàn)掘進與錨護平行作業(yè)，有效提高掘進效率。

2）針對不同煤礦地質(zhì)條件，集成并研發(fā)先進的掘進技術(shù)和裝備，實現(xiàn)高效率、高可靠、高質(zhì)量掘進。

3）借助于信息化、智能化等高新技術(shù)，研發(fā)快速掘進智能機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進系統(tǒng)高效、智能掘進。

2 快速掘進技術(shù)及裝備選型

快速掘進系統(tǒng)重點以裝備為中心，圍繞不同形式的掘進類型，進行系統(tǒng)的升級、優(yōu)化和組合[1]。通過研究多維度同步支護技術(shù)、工序自動化和連續(xù)化作業(yè)技術(shù)，統(tǒng)籌掘進工作面作業(yè)流程管理，針對不同地質(zhì)條件，結(jié)合開掘巷道實際情況，創(chuàng)新構(gòu)建不同形式的掘進、支護、運輸及除塵等工序協(xié)同作業(yè)線，實現(xiàn)掘支平行作業(yè)，杜絕空頂作業(yè)，有效提高礦井掘進效率的需求。我公司研發(fā)了多種煤礦智能化快速掘進系統(tǒng)，主要包括縱軸式掘錨成套技術(shù)裝備、連續(xù)采煤機成套技術(shù)裝備、橫軸式快速掘錨成套裝備、護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)、錨運破+轉(zhuǎn)載機+自移機尾以及煤礦用智能自移式皮帶機，同時配套相應(yīng)智能管控系統(tǒng)。

煤礦快速掘進系統(tǒng)是一種新型的智能化機械成套裝備，在設(shè)計與構(gòu)造方面引入了對計算機、信息技術(shù)等智能化技術(shù)的應(yīng)用，在煤層地質(zhì)構(gòu)造不同的情況下，其使用效果與采用的技術(shù)工法也存在較大差異。

1）若煤層地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，且整體結(jié)構(gòu)趨于完整，礦井具有較高的頂?shù)装鍡l件，一般是優(yōu)先選用單巷掘進施工，可選用橫軸式快速掘錨成套裝備，這套裝備集一次成巷、掘錨同步、全寬伸縮、單鏈擺動、負壓除塵、智能導(dǎo)向、數(shù)字截割和遠程操控八大功能于一體，通過優(yōu)化單循環(huán)掘進和支護時間，在保證連續(xù)作業(yè)安全可靠的前提下，實現(xiàn)了掘、支、運同步作業(yè)。主要適用于煤礦頂?shù)装宸€(wěn)定大斷面近水平全煤快速掘進巷道的地質(zhì)條件。利用掘錨一體機及相關(guān)的配套設(shè)備等較為成熟的技術(shù)工藝，將智能控制、自主導(dǎo)航等現(xiàn)代化的技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場作業(yè)過程中，可大幅提高煤礦掘進作業(yè)速度。

2）對于近水平大斷面煤層，內(nèi)部構(gòu)造相對穩(wěn)定且頂板的穩(wěn)定度趨于中等，片幫與夾矸共存的巷道地質(zhì)條件，可引入護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)[2]。護盾式智能掘進機器人系統(tǒng)主要是由護盾式掘進機器人、臨時支護機器人I&II、鉆錨機器人、錨網(wǎng)運輸機器人、電液控平臺、運輸及通風(fēng)除塵系統(tǒng)與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。這一套系統(tǒng)集掘錨同步、超前探放、智能導(dǎo)向、自主糾偏、護盾支撐、程序截割、自動上網(wǎng)、虛實同步、遠程操控和一鍵啟停十大功能于一體，在護盾保護的狀態(tài)下進行截割、支護作業(yè)，且掘進和錨固平行作業(yè)，是集掘、支、錨于一體的新型掘進系統(tǒng)。系統(tǒng)主要是針對陜北、內(nèi)蒙等高產(chǎn)、高效礦井開發(fā)設(shè)計，通過護盾式與后配套結(jié)合的作業(yè)形式，將護盾予以適當(dāng)增加，并在護盾的后側(cè)位置上放置適宜的錨護裝備，這樣可以為支護工序的自動化操作提供便利條件。若近水平煤層存在較大的斷面，以及半徑較大的巷道轉(zhuǎn)彎位置，則采用此種設(shè)備與技術(shù)是較為適宜的。若場地的工作面較小，則并不適合對此類快速掘進設(shè)備的應(yīng)用。

3）對于近水平煤層，其內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，且頂板的穩(wěn)定度趨于中等。若選用單巷掘進施工工藝，可選用縱軸式掘錨成套技術(shù)裝備或選用護盾式智能掘進機機器人系與后配套設(shè)備等結(jié)合起來，提高掘進與支護等各個作業(yè)環(huán)節(jié)的技術(shù)水平。若是選用雙巷掘進的技術(shù)工法，則主要涉及對連續(xù)采煤機成套技術(shù)裝備的使用，多數(shù)用于煤巷快速掘進和邊角煤回收，后配套梭車進行間斷式運輸，與錨桿鉆車交替進行掘進和支護，月進尺可達600～1 200 m。特別適用于在頂?shù)装宸€(wěn)定，允許有一定空頂距，斷面為矩形的全煤巷道中使用，為掘進和支護施工同時進行提供可靠保障。

4）若礦井的條件較為一般，圍巖強度不高，且構(gòu)造較為復(fù)雜，缺乏完整性，施工人員應(yīng)采用主動支護的處理方法，確保后續(xù)掘進作業(yè)得以順利進行。對于此類礦井組織開展掘進與支護作業(yè)，關(guān)鍵在于確保錨護處理的及時性。巷道斷面截割形成后，應(yīng)在第一時間內(nèi)進行快速支護作業(yè)，確保預(yù)應(yīng)力的施加與圍巖的實際情況相適宜，對于此類單掘進巷道，對于大部分施工企業(yè)來說，一般會選擇使用縱軸式掘錨成套技術(shù)裝備進行掘進作業(yè)[3]。可實現(xiàn)對掘進工作面迎頭處巷道頂板、側(cè)幫錨桿及錨索支護的快速機械化作業(yè)。其結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，相比常規(guī)掘進效率提高30%～50%。可根據(jù)巷道實際地質(zhì)條件選型，主要用于煤巖硬度≤f8 的煤巷、半煤巖以及軟巖的巷道掘進施工。這樣的作業(yè)方式造價成本較低，便于企業(yè)控制整個掘進施工的造價成本。

3 快速掘進關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展展望

掘進技術(shù)滯后采煤技術(shù)，主要原因在于掘進工作面所面臨的環(huán)境。掘進工作面作業(yè)條件有限，不太容易實現(xiàn)大型機械的大規(guī)模機械化連續(xù)作業(yè)，掘進作業(yè)工序繁瑣，常常因各工藝環(huán)節(jié)配套不完善、裝備效能發(fā)揮不充分，特別是高密度錨桿錨索支護作業(yè)速度慢，耗費時間較長，限制了掘進速度的提升。煤礦巷道快速掘進系統(tǒng)朝著自動化、智能化方向發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)主要包括：快速掘進機械系統(tǒng)具備高質(zhì)量、高效率、高可靠性和高適應(yīng)性的技術(shù)、截割工藝優(yōu)化技術(shù)、成套裝備智能協(xié)同控制技術(shù)、智能錨護技術(shù)、智能截割技術(shù)、智能運輸技術(shù)以及設(shè)備全生命周期維護等[4]。

4 結(jié)語

本文旨在探索當(dāng)前影響我國煤礦巷道掘進過程中的集探、掘、支、錨、運及除塵等組成的快速掘進裝備適應(yīng)性配套選型問題。針對不同地質(zhì)條件，文中提出不同形式的快速掘進裝備配套選型，各個組成設(shè)備有序、高效、通暢地銜接。因礦施策，一礦一策，將快速掘進技術(shù)應(yīng)用到煤礦實際采掘工作中，有利于提升掘進裝備的開機率，進一步提高煤礦巷道的掘進效率、改善巷道支護質(zhì)量，改善工作面迎頭的安全性、凈化井下環(huán)境等。