回采巷道超前支架應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

劉曉杰，寧掌玄，陳濤濤，余長(zhǎng)宏，周 豪

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新發(fā)布的《中華人民共和國(guó)2022年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]中提到，中國(guó)2022 年煤炭消費(fèi)占能源總消費(fèi)量的56.2%，比2021年煤炭資源占比增加0.3 個(gè)百分點(diǎn)，可見短時(shí)間內(nèi)我國(guó)仍以煤炭資源作為主要的能源消費(fèi)來源。《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]中指出到2035年煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化目標(biāo)，為推動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，我國(guó)正推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，以提升煤礦智能化水平。

煤礦巷道頂板管理一直制約著煤炭安全高效開采。隨著煤礦綜采工作面推進(jìn)，回采巷道頂板來壓明顯。現(xiàn)有的回采巷道超前支架（如單體液壓支柱支護(hù)、自移式順槽支架支護(hù)、交替移動(dòng)式支架支護(hù)及單元式支架支護(hù)等）存在支護(hù)強(qiáng)度低、移架困難、反復(fù)支撐頂板等問題，難以滿足井下少人化、無人化的安全生產(chǎn)要求。

1 國(guó)內(nèi)外超前支護(hù)研究現(xiàn)狀

1.1 超前支護(hù)理論研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外大量專家、學(xué)者對(duì)巷道圍巖控制進(jìn)行了深入的研究和探索，巷道支護(hù)理論得到空前發(fā)展，為煤礦巷道支護(hù)提供大量的理論依據(jù)。最早可追溯到1920年以前的古典支護(hù)理論[3]，認(rèn)為頂板覆巖層的重量時(shí)巷道支護(hù)的主要載荷，并不適用于開采深度較大的巷道。在20 世紀(jì)中期，有學(xué)者將彈塑性力學(xué)運(yùn)用到巷道圍巖控制研究中，形成普遍認(rèn)可的現(xiàn)代支護(hù)理論，具有代表性的如芬納和卡斯特納提出的Fenner公式和Kastner公式[4-5]。奧地利學(xué)者認(rèn)為巷道圍巖是一種不連續(xù)體，提出利用圍巖自身維持巷道的穩(wěn)定性，這便是著名的新奧法理論[6-7]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者提出多種現(xiàn)代支護(hù)理論，并與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)我國(guó)煤礦巷道圍巖控制技術(shù)發(fā)展，典型的有松動(dòng)圈理論[8]和聯(lián)合支護(hù)理論[9]。松動(dòng)圈理論認(rèn)為巷道開挖后會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)圈，將松動(dòng)圈圍巖的自重和碎裂變形以及深部圍巖的彈塑性變形作為主要的支護(hù)載荷。聯(lián)合支護(hù)理論有陸家梁等專家提出，該理論核心為“先讓后抗，先柔后剛，柔讓適度，穩(wěn)定支護(hù)”。

1.2 超前支架應(yīng)用現(xiàn)狀

煤礦巷道超前支架發(fā)展歷程大致可劃分為機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化3 個(gè)階段。經(jīng)過多年的發(fā)展,我國(guó)煤炭開采綜合機(jī)械化程度相比之前得到了明顯的提升，大型煤炭企業(yè)的采煤機(jī)械化程度已達(dá)到98.95%。隨著綜合機(jī)械化煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展以及大批新型大功率采煤機(jī)和工作面輸送機(jī)的相繼出現(xiàn)，對(duì)超前支架能夠保證與其相配套也提出了更高的要求。

我國(guó)部分煤礦超前支架在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見表1，可知我國(guó)煤礦回采巷道超前支護(hù)應(yīng)用較多的超前支架是邁步自移式超前支架和單體液壓支柱配合鉸接鋼梁的支護(hù)方式，部分煤礦采用交替移動(dòng)式超前支架和單元式支架。煤礦巷道應(yīng)用各種超前支護(hù)手段后，頂板變形量均值為189.97 mm，底板變形量334.07 mm，這些超前支護(hù)手段對(duì)頂板控制效果要優(yōu)于對(duì)底板控制效果。其中采用超前支架（邁步自移支架、交替移動(dòng)式支架、單元支架）的巷道頂?shù)装遄冃瘟烤捣謩e為150.73 mm 和193.00 mm，采用單體液壓支柱配合鉸接鋼梁支護(hù)方式的巷道頂?shù)装遄冃瘟烤捣謩e為261.92 mm和522.17 mm。超前支架對(duì)頂?shù)装宓目刂坡时葐误w液壓支柱配合鉸接鋼梁的支護(hù)方式對(duì)頂?shù)装蹇刂坡史謩e高出42.45%和63.04%，即超前支架對(duì)巷道圍巖控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于單體液壓支柱配合鉸接鋼梁的支護(hù)方式。

造成頂板下沉、底鼓現(xiàn)象主要是由于單體液壓支柱的對(duì)地比壓較大，不能夠很好地控制頂?shù)装澹栽S多煤礦都使用超前支架來代替單體液壓支柱配合鉸接鋼梁的支護(hù)方式。

2 超前支架存在的問題與難點(diǎn)

2.1 超前支架中存在的問題

2.1.1 液壓支柱配合鉸接鋼梁支護(hù)

單體液壓支柱如圖1，較為輕便，當(dāng)采煤工作面推進(jìn)需要移架時(shí)對(duì)頂板無反復(fù)支撐，能夠保證頂板的完整性。但其支護(hù)強(qiáng)度較低，對(duì)地比壓大容易出現(xiàn)插底的情況，難以適應(yīng)頂板壓力較大的巷道，且移架工序繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大效率低，耗時(shí)廢料，所以正逐步被淘汰。

圖1 單體液壓支柱配合鉸接鋼梁支護(hù)

2.1.2 自移式順槽支架支護(hù)

作為目前應(yīng)用較多的超前支架，自移式順槽支架（如圖2）具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，通過工人操作手柄就能夠?qū)崿F(xiàn)移架。但其移架時(shí)需通過每組支架的立柱升降來完成，會(huì)對(duì)頂板反復(fù)支撐造成頂板下沉，影響頂板穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)咬死支架的情況，影響巷道通風(fēng)和行人安全。

圖2 自移式順槽支架布置形式

2.1.3 交替移動(dòng)式支架支護(hù)

交替移動(dòng)式支架（如圖3）目前主要的應(yīng)用形式有門式支架和單元式支架，這兩種支架均具有足夠的支護(hù)強(qiáng)度，移架時(shí)可通過支架運(yùn)輸車或單軌吊運(yùn)輸支架，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度低還避免了對(duì)頂板的反復(fù)支撐。但支架運(yùn)輸車對(duì)巷道底板情況有極大的要求，難以適應(yīng)底板傾角大、平整度較差的巷道，并且支架運(yùn)輸車還會(huì)占用巷道空間，只適用于設(shè)備較少的巷道；而使用單軌吊搬運(yùn)支架對(duì)單軌吊的安裝質(zhì)量和巷道高度有一定的依賴性。

圖3 交替式移動(dòng)支架

2.2 超前支架智能化進(jìn)程存在的難點(diǎn)

2.2.1 超前支架姿態(tài)信息監(jiān)測(cè)與控制

超前支架姿態(tài)信息的監(jiān)測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)超前支架智能化的核心。目前，通過編程控制已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)超前支架升架、降架、移架等一系列動(dòng)作。隨著工作面的不斷推進(jìn)，回采巷道圍巖應(yīng)力影響愈加明顯，超前支架就容易出現(xiàn)傾斜、變形、錯(cuò)位等問題，嚴(yán)重導(dǎo)致支護(hù)失效引發(fā)安全事故。因此，對(duì)超前支架的姿態(tài)進(jìn)行捕捉和控制就顯得尤為重要。

傾角傳感器對(duì)于超前支架的姿態(tài)監(jiān)測(cè)起著至關(guān)重要的作用，但其只能在二維平面空間上對(duì)超前支架的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而要解決在三維空間上的姿態(tài)監(jiān)測(cè)問題，就要用到三軸陀螺儀和計(jì)算機(jī)視覺方法[19]。此外，視覺SLAM 技術(shù)[20-21]和激光SLAM[22]均可獲取超前支架姿態(tài)信息，是目前人工智能技術(shù)應(yīng)用于超前支護(hù)的又一領(lǐng)域。目前在工程應(yīng)用中，只有推移油缸加裝了傳感器，所以仍需要人工對(duì)超前支架進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。另外，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，常因裝配誤差、工作環(huán)境的溫度、濕度和粉塵等諸多因素經(jīng)常導(dǎo)致傾角傳感器傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差甚至失效。

2.2.2 超前支架與回采巷道設(shè)備協(xié)同控制

回采巷道設(shè)備協(xié)同控制本質(zhì)上是超前支架、輸送機(jī)、采煤機(jī)的協(xié)同控制，其主要是針對(duì)采煤機(jī)的推進(jìn)速度與超前支架協(xié)同配合的問題。對(duì)于多設(shè)備協(xié)同控制的難題，單獨(dú)解決某一設(shè)備的問題，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，所以要從系統(tǒng)層面兼顧所有設(shè)備，規(guī)劃出最佳思路，從而提出一種多模態(tài)控制系統(tǒng)[23]。該系統(tǒng)可以根據(jù)井下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備位置、環(huán)境信息，兼顧安全、載荷、產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)設(shè)備作出實(shí)時(shí)最優(yōu)調(diào)控。回采巷道設(shè)備協(xié)同涉及到眾多設(shè)備，解決多模態(tài)控制系統(tǒng)與回采巷道設(shè)備適配的難題仍需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

2.2.3 超前支架供液系統(tǒng)控制技術(shù)

井下供液系統(tǒng)如圖4，主要由供水凈化站、乳化液自動(dòng)配液站、泵站油箱及加壓泵、自動(dòng)高壓反沖洗泵站、液壓支架和回液過濾站組成。原水經(jīng)過凈化站處理后變?yōu)榭梢允褂玫募兯儆膳湟赫緦⒓兯腿榛桶匆欢ū壤M(jìn)行配比形成乳化液。乳化液通過泵站加壓，經(jīng)過自動(dòng)高壓反沖洗泵站過濾后向液壓支架供液。

圖4 井下供液系統(tǒng)

供液系統(tǒng)控制技術(shù)的難點(diǎn)主要包括供液系統(tǒng)自動(dòng)跟架控制和故障自動(dòng)排查兩個(gè)方面。供液系統(tǒng)自動(dòng)跟架控制技術(shù)是根據(jù)超前支架運(yùn)行方向、位移量、位置信息等及時(shí)作出判斷自動(dòng)跟架，并在支架做出動(dòng)作時(shí)及時(shí)供排液。確定超前支架的位置信息是供液系統(tǒng)自動(dòng)跟架的核心，通常是在超前支架與供液系統(tǒng)之間建立位置函數(shù)關(guān)系。但在工程應(yīng)用中，復(fù)雜的地質(zhì)條件、超前支架和供液系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)常常會(huì)影響供液系統(tǒng)自動(dòng)跟架控制精度，從而導(dǎo)致跟架緩慢甚至出現(xiàn)整個(gè)回采巷道設(shè)備系統(tǒng)紊亂的狀況。因此，超前支架和供液系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，及時(shí)識(shí)別自身工作狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)供液系統(tǒng)自動(dòng)跟架面臨的一大難題。

3 超前支架發(fā)展方向

隨著煤礦巷道支護(hù)距離及支護(hù)強(qiáng)度的日漸增長(zhǎng),如何高效、安全進(jìn)行支護(hù)將是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的研究焦點(diǎn)。

3.1 超前支架無反復(fù)支撐技術(shù)

目前回采巷道超前段應(yīng)用超前支架多為邁步式超前支架，其支護(hù)強(qiáng)度高、移架快、自動(dòng)化強(qiáng)度高，能有效減少勞動(dòng)強(qiáng)度。但由于其特殊的移架方式，對(duì)頂板進(jìn)行反復(fù)支撐造成不同程度的破壞，所以邁步式超前支架常用于頂板情況較好的巷道。而門式超前支架是一種無反復(fù)支撐的超前支架，其移架方式是通過獨(dú)立的搬運(yùn)裝置（如支架運(yùn)輸車）將回采巷道門式超前支架組尾部的支架運(yùn)送到支架組前端，在移架過程中沒有對(duì)頂板進(jìn)行反復(fù)支撐，有效保護(hù)了頂板的完整。但像支架運(yùn)輸車這類獨(dú)立的搬運(yùn)裝置會(huì)占用大量的巷道空間，導(dǎo)致無法在巷道中布置其它設(shè)備，所以目前無反復(fù)支撐超前支架應(yīng)用存在一定的局限性，主要用于回風(fēng)巷道。這一問題的解決，將會(huì)使像門式超前支架這類無反復(fù)支撐的超前支架成為巷道中主流的支護(hù)形式。

3.2 超前支架智能化發(fā)展

隨著煤礦采煤設(shè)備向著自動(dòng)化、智能化、無人化不斷推進(jìn)，回采巷道的超前支架需要與綜采工作面的設(shè)備協(xié)同配合高效生產(chǎn)，就需要對(duì)超前支架的姿態(tài)、位置信息進(jìn)行捕捉和控制，這就必須增加大量的傳感器、攝像頭、控制設(shè)備等。

5G 技術(shù)作為現(xiàn)今最先進(jìn)的高科技技術(shù)，具有大寬帶、低時(shí)延、高可靠的優(yōu)點(diǎn)。基于5G 技術(shù)的超前支架姿態(tài)捕捉控制技術(shù)，使用高精度傾角傳感器配合加速度計(jì)，將采集的超前支架數(shù)據(jù)傳輸給A/D 采集控制器；再由5G 信息模塊將支架的傾角信息傳送到核心控制器進(jìn)行信息處理；5G 信息模塊再將處理好的信息傳輸給位姿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，隨后再對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算，控制油缸和立柱作出調(diào)整，從而調(diào)整超前支架的姿態(tài)。

5G技術(shù)讓回采巷道超前支架實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程操成為可能，低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化、無人化奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，5G 技術(shù)還具有能夠使超前支架與其他設(shè)備連接的能力，實(shí)現(xiàn)煤礦的“萬物互聯(lián)”。但煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件和高煤塵、長(zhǎng)隧道、多干擾工作環(huán)境使各礦井設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)沒有得到統(tǒng)一，所以煤礦對(duì)于5G 技術(shù)的運(yùn)用仍處于初步階段，5G 在煤礦上的應(yīng)用在未來的幾十年內(nèi)將是煤礦發(fā)展的大勢(shì)所趨。

4 結(jié)語

目前已有部分大型煤礦以及新建煤礦的綜采工作面實(shí)現(xiàn)智能化開采，而回采巷道超前支架智能化程度相對(duì)較低，無法滿足井下少人化、無人化的要求與智能綜采設(shè)備協(xié)同作業(yè)，嚴(yán)重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。現(xiàn)有的超前支架仍是未來長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的主要支護(hù)形式，隨著煤炭生產(chǎn)日趨智能化、無人化，具有足夠支護(hù)強(qiáng)度的無反復(fù)支撐智能超前支架將是超前支架發(fā)展趨勢(shì)。