巷道修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

王 赟

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

2018年1月18日國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2017年全國(guó)累計(jì)生產(chǎn)原煤344546萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)3.2%。其中產(chǎn)煤大省內(nèi)蒙古、山西、陜西和新疆4省約占總量的70%，且開采煤田深度大部分在-300米以上水平位置；其余各省份產(chǎn)量約占總量的30%，開采煤田深度大部分在-600米以下水平位置。隨著礦井開采深度的逐年加深，今后4大產(chǎn)煤大省的礦井開采深度也將逐步進(jìn)入-600米以下水平位置。

根據(jù)礦井開采經(jīng)驗(yàn)和礦壓分布規(guī)律可知，-300米以下開采時(shí)，巷道受礦壓影響變形將會(huì)顯現(xiàn)；當(dāng)?shù)V井開拓延伸到-800米左右，巷道在地壓應(yīng)力的影響下穩(wěn)定性會(huì)變的越來越差，尤其是礦區(qū)內(nèi)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖層呈破碎狀時(shí)，變形將會(huì)更為嚴(yán)重。除此之外，在采動(dòng)的影響下，巷道原本穩(wěn)定的圍巖也會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的變形收縮，收縮率達(dá)到28%～32%，造成巷道斷面變小，影響通風(fēng)、運(yùn)輸和人員行走，甚至有的巷道出現(xiàn)片幫、底鼓甚至冒頂?shù)炔焕诘V井安全生產(chǎn)的問題。因此，為了保證巷道的正常使用，巷道修復(fù)技術(shù)將成為今后礦井生產(chǎn)中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。

1 常規(guī)巷道修復(fù)方式

目前礦井進(jìn)行的巷修工作主要是臥底、刷幫、調(diào)頂、支護(hù)、補(bǔ)換軌枕、修復(fù)水溝等，修復(fù)的巷道都是變形十分嚴(yán)重且已經(jīng)影響到礦井的正常生產(chǎn)運(yùn)行。修復(fù)工藝以人工修理為主，少量配備機(jī)械化設(shè)備，具體施工流程如下：

（1）人工方式：工人手持風(fēng)鎬、鐵鍬將變形巷道破碎了的巖石敲擊下來，完成刷幫、調(diào)頂作業(yè)；對(duì)于底鼓變形較為嚴(yán)重的地方，進(jìn)行臥底作業(yè)。同時(shí)人工將廢舊的錨桿、U型梁等支護(hù)器材及時(shí)拔出，并重新使用金屬支架或錨桿、錨索進(jìn)行支護(hù)；如發(fā)現(xiàn)水溝堵塞需清理干凈，軌枕?yè)p壞或丟失需補(bǔ)齊。工作中產(chǎn)生的巖石、廢料人工通過鍬將其裝到皮帶機(jī)或礦車上進(jìn)行清理運(yùn)輸。人工修復(fù)方式靈活方便，適應(yīng)任何尺寸的巷道斷面維修，但是存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，甚至頂部維修時(shí)需要搭腳手架，作業(yè)人員經(jīng)常處于無支護(hù)狀態(tài)下工作，存在重大安全隱患。

（2）機(jī)械化方式：井下機(jī)械化巷道修復(fù)設(shè)備一般具有行走、運(yùn)輸、破碎、挖裝和支護(hù)等功能，操作人員將其運(yùn)行到預(yù)定修復(fù)地點(diǎn)，按照巷道所需的斷面要求，完成變形巷道的臥底、刷幫、挑頂、錨護(hù)，以及廢舊物料的裝運(yùn)轉(zhuǎn)載等工作。機(jī)械化修復(fù)方式比人工修復(fù)方式效率要高，安全性要強(qiáng)。但是機(jī)械化修復(fù)存在設(shè)備適應(yīng)性差，操作維護(hù)不太便利等局限。

常規(guī)修復(fù)都是在原有變形巷道的基礎(chǔ)上進(jìn)行的返修工作，修復(fù)完成后巷道仍然會(huì)受地壓應(yīng)力、采動(dòng)影響發(fā)生變形，這樣會(huì)造成巷道“修復(fù)-變形-修復(fù)”的惡性循環(huán)，給用戶人力物力帶來巨大的浪費(fèi)。

2 自動(dòng)化巷道修復(fù)方式

自動(dòng)化巷道修復(fù)方式是采用機(jī)械設(shè)備代替人工去修理巷道，同時(shí)在設(shè)備中植入信息自動(dòng)處理和自動(dòng)控制功能，保證巷道修復(fù)設(shè)備的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能按照預(yù)定的要求完成各項(xiàng)動(dòng)作。自動(dòng)化巷道修復(fù)方式中使用的巷道修復(fù)機(jī)控制和檢測(cè)的靈敏度、精度以及范圍比機(jī)械化修復(fù)使用的設(shè)備有大幅度的提高。自動(dòng)化巷道修復(fù)的主要設(shè)備包括履帶行走式破碎機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、錨桿機(jī)、剪錨機(jī)、拔樁機(jī)及氣動(dòng)切割機(jī)，其中破碎機(jī)可根據(jù)巷道變形的多少自動(dòng)完成巖石破碎，剪錨機(jī)或氣動(dòng)切割機(jī)將廢舊的錨桿剪斷，拔樁機(jī)將扎人巖石內(nèi)的棚梁拔出，挖掘機(jī)、裝載或運(yùn)輸機(jī)可將破碎的物料自動(dòng)裝載到礦車或帶式轉(zhuǎn)載機(jī)上并轉(zhuǎn)運(yùn)到外運(yùn)順槽設(shè)備上，錨桿機(jī)或架棚機(jī)可根據(jù)巷道斷面自動(dòng)完成錨護(hù)和架棚工作。自動(dòng)化巷道修復(fù)中使用的設(shè)備具有自動(dòng)監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)診斷、自動(dòng)保護(hù)等功能。工作中出現(xiàn)的過載、過壓、過流、短路等電力故障都可以采取自動(dòng)保護(hù)措施，避免和減少人身與設(shè)備事故，提高設(shè)備使用的安全性。

自動(dòng)化巷道修復(fù)方式提高了施工工效，節(jié)省人力，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，修復(fù)中等變形條件的巷道進(jìn)尺是人工的1.6倍；自動(dòng)化巷道修復(fù)方式安全性高，可以近距離刷幫、挑頂，并及時(shí)支護(hù)，縮短了空頂時(shí)間，避免了作業(yè)人員近距離與圍巖接觸，提高了作業(yè)空間的安全性。自動(dòng)化修復(fù)方式存在的問題是所有修復(fù)動(dòng)作都是按照預(yù)定程序設(shè)定的，修復(fù)過程中設(shè)備缺乏分析、推理、判斷、構(gòu)思等功能，當(dāng)巷道條件與設(shè)定情況發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)化修復(fù)方式將不再能按要求完成修復(fù)任務(wù)。

3 智能化巷道修復(fù)方式

智能化巷道修復(fù)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制的巷道修復(fù)機(jī)模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能，感知井下工作環(huán)境，獲取巖石變形情況，并使用巷道修復(fù)機(jī)上已有的工作機(jī)構(gòu)完成變形巷道的修理，同時(shí)對(duì)即將發(fā)生變形的巷道進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)或掏槽泄壓。智能化巷道修復(fù)技術(shù)應(yīng)具有狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升這五大基本功能。

狀態(tài)感知是通過安裝在巷道橫截?cái)嗝鎯?nèi)的激光測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離變化，采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸技術(shù)傳輸給智能巷修機(jī)主機(jī)，主機(jī)對(duì)當(dāng)下狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確推理與實(shí)時(shí)分析，計(jì)算出巷道巖石的實(shí)際變形量，同時(shí)向智能巷修機(jī)機(jī)械臂做出加強(qiáng)支護(hù)、掏槽泄壓或修復(fù)改善的決策。主機(jī)得到修復(fù)任務(wù)后通過機(jī)械臂上的各個(gè)執(zhí)行元件做出修復(fù)動(dòng)作，同時(shí)通過安裝在機(jī)身上的壓力、流量、位移、溫度等傳感器將修復(fù)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸給主機(jī)，主機(jī)將采集到的巷道斷面變化數(shù)據(jù)與巷道斷面要求數(shù)據(jù)再次進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析，并自主發(fā)出修復(fù)與停止的決策指令，直到修復(fù)任務(wù)完成。巷道修復(fù)過程中的臥底、挑頂、錨護(hù)通過主機(jī)操作和傳感器測(cè)試可精準(zhǔn)執(zhí)行。此外，智能化巷道修復(fù)技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)巷道的巖石變形量，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出巖石最大限度發(fā)揮塑性區(qū)且承載能力又不出現(xiàn)松動(dòng)破壞的時(shí)刻，這樣便為巷道贏得最佳的支護(hù)時(shí)間；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)也可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到巖石應(yīng)力集中點(diǎn)和巖石強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，為巷道獲取理想支護(hù)位置。智能化巷道修復(fù)技術(shù)要存儲(chǔ)修復(fù)數(shù)據(jù)，同時(shí)定期要把檢測(cè)到的已修復(fù)巷道數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過對(duì)比分析修復(fù)效果后對(duì)以后的修復(fù)工藝及時(shí)調(diào)整，直到理想為止。

4 結(jié)論

隨著工業(yè)智能化技術(shù)水平的與日俱增和工人職業(yè)健康理念的逐步提高，煤礦井下惡劣環(huán)境中從業(yè)人員會(huì)越來越少，智能化巷道修復(fù)作為深部礦井開采中一項(xiàng)不可缺少的技術(shù)，它不僅可以遠(yuǎn)程完成修復(fù)任務(wù)，而且可以對(duì)巷道變形做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為巷道修復(fù)支護(hù)獲取最佳時(shí)間和理想位置。