大斷面硬巖巷道智能化快速掘進技術研究

＊李 棟

（晉能控股煤業集團白洞礦業大同有限公司 山西 037000）

前言

隨著中國制造業的不斷發展，我國各行業的機械化、自動化水平不斷提高，但是煤炭行業因機械化程度提高帶來了一系列問題，如工作面接替緊張。為了提高回采面接替率，加快掘進速度成了當前急需解決的問題和研究方向。比如說楊壯[1]研究了巷道內不同高度情況下對圍巖的破壞情況及圍巖變形程度；還有學者研究了在掘進過程中發生頂板晃動以及支護晃動的問題，最具代表的就是馬睿[2]的研究理論，除理論外他還給出了預防措施。以上是應對在掘進過程中出現的問題而進行的研究及提出的應對解決措施，還有學者研究了加快巷道掘進速度的改進方法，但其根本出發點都是改進挖掘工藝，如孫旭威[3]提出了掘錨一體化工藝，在與原來的掘進技術對比時得出該工藝在提高支護強度及掘進速度方面具有優勢；唐衛濤[4]在頂板距處得到靈感，在分析頂板距與變形量關系的基礎上，借助模型模擬了掘進過程中最佳頂板距的范圍，降低頂板變形率，從而提高掘進速度。通過上述列舉的幾點研究方向我們不難看出，研究方向和成果主要都是適用于斷面巷道以及煤層巷道兩區域，不適用于大斷面巷道的掘進，而且若想提高巷道掘進速度最主要的兩個問題就是破（煤）巖效率、圍巖支護。所以隨著信息化、機械化程度的不斷提高，利用智能化設備進行快速掘進是今后巷道掘進的發展方向。所以本文以山西某礦東翼的回風巷作為研究對象，在分析該巷道地質狀況的基礎上，分析了運用智能化設備提高掘進速度的可行性。而且該研究彌補了大斷面巷道快速掘進的研究空白。

1.工程概況

(1)圍巖特征

該礦區地面的高度范圍是+1018～+1092 m，該礦的東部回風巷的高度是+515 m，位置則位于二盤區。通過分析該回風巷挖掘出的泥沙分析可知該巷所在巖層為粉砂巖，砂質呈現灰色，結構松散呈粉砂狀，最大抗壓強度和抗壓強度分別是13.8 MPa 和1.5 MPa。在巷道底板下的巖層分布為泥巖、砂質泥巖、細砂巖，通過探測發現巖層的整體走向是115°～120°，傾角2°～4°，傾向205°～210°?；仫L巷在掘進過程中沒有遇到斷層、陷落等情況，整體巖層結構比較穩定，表現為單斜構造。

(2)巷道支護參數

在大巷中出現了一個形狀為半圓的拱狀斷面，該斷面的大小數值為寬6.1 m，高5.05 m，周圍的墻高2.1 m，斷面面積為26.81 m2；從斷面中噴出的泥漿共積厚0.15 m。在該出現斷面的巷道中所使用的支護方式是永久支護手段，即將錨網索焊接。所使用的支護材料為錨桿、鋼筋網、錨索，錨桿使用的型號為左旋無縱筋螺紋鋼，且規格為φ20 mm×2500 mm，這些錨桿呈矩形分布在巷道內，每根錨桿間距是800 mm×800 mm，其中錨桿的1100 mm 用于固定。錨索選取型號為七芯低松弛預應力鋼絞線，且規格是φ17.8 mm×8200 mm，在支護時這些錨索按照“四·三”的布局進行排列，而且每個錨索之間的距離為1600 mm×1600 mm，1700 mm 用于固定。鋼筋用的是圓鋼且粗φ6.3 mm，將這些鋼筋用強度為C20、150 mm厚的噴射砼進行焊接，焊接成孔為80 mm 的正方形分布的網幅，每個網幅的規格為2500 mm×1000 mm。

2.智能化快速掘進系統

(1)系統配套

圖1 展示的是山西該礦回風巷智能掘進系統的構成和結構排列圖，共有集控中心、動力站、除塵風機、自移機尾、錨桿鉆車、帶式轉載機、智能掘進機7 部分。

圖1 智能化快速掘進系統設備配套

該掘進機的型號為EBZ315H，而且還裝有具有導航和控制功能的智能控制系統，其有三種截割模式，即自適應、自動截割、遙控截割三類，由于其裝有導航設備所以在截割過程中能夠通過區分位置及姿勢來自動糾偏，從而免受巷道寬窄、高低變化的影響；而且機尾能夠實現自己運動，從而降低了皮帶輸送機的運行壓力，提高了掘進速度。表1 展示的是該智能掘進系統的具體參數。

表1 智能化快速掘進系統主要參數

(2)設備特征

該智能掘進系統具有安全性高、掘進速度快、人工成本低、工作質量高等優點，在綜合巷道位置以及地質條件的基礎上，首次在大斷面硬巖巷道運用了智能掘進系統。該設備還裝有智能地質探測儀器，能夠以挖掘點為圓心探測周圍半徑3～80 m 內的地質構造狀況。而且該掘進系統能夠按照設定自動進行導航和截割，并通過遠程計算機進行操控，減少了勞動力的介入，從而節約了人工成本、減少了安全事故。智能掘進機在掘進過程中還能同時完成支護工作，如自動鉆孔和注錨桿，前方掘進后方支護，大大提高了掘進速度。而且，遠程監控設備還能通過掘進機上的攝像頭觀察掘進情況，并通過控制端隨時掌握掘進情況。

3.快速掘進工藝

大斷面全巖巷道智能化快速掘進主要作業工藝特點如下。

(1)作業方式

外掘進過程中掘、錨交替進行，如此實現分次成巷，在掘進前先借助智能掘進系統上的超前探測系統進行探測，隨后根據探測系統決定挖掘和施工步驟。前方掘進工作完成后，后面緊跟著就會進行支護，即自動鉆孔和注桿，并對挖掘前方實行臨時支護，而后方則進行永久支護。后方的自動位移機尾能夠將掘進過程中產生的矸石運出巷道外。實現了掘進、運輸、支護的高效配合從而實現了掘進速度的提高。

(2)工藝特點

限制巷道掘進速度及決定巷道支護方式的重要因素就是巷道內圍巖的破碎程度。所以該智能掘進系統上所安裝的超前探測裝置能夠提前對挖掘前方的巖體進行探測，并根據探測數據進行分析，選擇出一條最適宜的掘進線路。圖2 是探測裝置所探測得到巖層分布圖。由于該智能系統挖掘和支護是前后同時進行的，智能系統除了通過分析巖層情況確定出適宜的挖掘道路后，還能通過巖層狀況確定支護方案，經過綜合分析后從“一掘一支”或“兩掘一支”選出最佳方案。這種工作模式打破了傳統迎頭支護模式的限制，當前面掘進工作還在進行時，系統已經分析出下一循環掘進路線以及支護方案和運輸量，這大大縮短了工程間的間隔時間，提高了效率。

圖2 超前探測系統成果

(3)人員操作

智能掘進系統不僅提高了掘進速度和效率，而且還減少了人力投入。通過超前探測裝置對探測所得數據進行分析，不僅確定了掘進路線和支護方案，而且還確定了操作人數，即共7 人，其中1 人負責對掘進及運輸的操作、2 人負責操作智能支護系統，完成10根錨桿的注桿和支護工作者，2 人負責操作完成5 根錨索對頂板的固定工作，2 人協助完成兩側8 根錨固工作。

4.應用效果

(1)勞動組織

由于系統智能化程度較高所以在工作安排上實行“三·八”制，三是一共劃分早、中、晚三組，早晚班工人的主要工作是巷道掘進，夜班主要負責運料和噴漿。表2 是具體的人員安排。

表2 智能掘進工作面人員配置

(2)掘進進尺

上文所說的大斷面硬巖智能快速掘進系統于2021 年10 月在山西某礦的東側回風巷安裝并投入使用，自11 月到次年5 月期間，總工作時長為7 月。在這7 個月中，除了1 月份為節假日工期短挖掘長度107.1 m 外，2021 年11 月、12 月分別挖進了145.6 m和140.3 m，2022 年2—5 月挖掘長度分別為136.4 m、143.7 m、138.4 m 和145.8 m，7 月的月均挖掘長度為159.1 m。圖3 展示的是東側回風巷使用智能掘進系統的挖掘長度與西側沒有使用該系統掘進長度的對比分析圖。通過兩者的數據對比我們可以看出，在使用智能掘進系統后相比于傳統模式具有以下三點優勢。

圖3 掘進進度對比

①由于智能掘進系統具有智能掃描和導航系統所以減少了工作人員的勞動量和人數需要。

②傳統掘進模式受外界因素影響較大月掘進速度長短不一，而智能掘進系統可以保障每月掘進速度大致相同，保障了工程進度。

③和傳統掘進模式相比，智能掘進系統明顯提高了掘進速度，可以達到原掘進速度的137.5%。

5.結語

當智能掘進系統在大斷面硬巖巷道內實行后，實現了掘、支、運步驟的同步操作，不僅明顯提高了掘進速度和效率而且還有效減少了人員投入，實現平均每月掘進進程達到159.1 m，是原來速度的137.5%，本次實驗是在大斷面硬巖巷道的一次實驗；通過本實驗能夠為其他智能掘進設備的改善提供借鑒，也可以為快速掘進系統的實行提供參考。