我國煤巷掘進技術與裝備發(fā)展現(xiàn)狀

孫永強

摘 要：巷道掘進技術及設備直接影響煤炭開采能力，文章分析了我國煤礦巷道掘進技術及設備發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其存在機械化程度不高、系統(tǒng)性、自動化程度差等問題，進而探討其智能化、懸臂式、快速掘進的集成化發(fā)展趨勢。

關鍵詞：煤礦；巷道掘進技術；裝備

中圖分類號：TD42 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0153-02

Abstract： Roadway tunneling technology and equipment directly affect the ability of coal mining. This paper analyzes the present situation of coal mine roadway tunneling technology and equipment development in China， and finds that there are some problems， such as low degree of mechanization， low degree of systematicity， poor degree of automation and so on. Furthermore， the integrated development trend of intelligent， cantilever and rapid excavation is discussed.

Keywords： coal mine； roadway tunneling technology； equipment

煤炭資源是我國重要的能源之一，為我國經濟社會發(fā)展做出了重要貢獻。我國煤礦開采強度較大，巷道掘進量極大，給巷道支護質量和掘進速度提出了嚴格要求。巷道掘進速度直接關系到煤礦開采的效率、產量和安全性[1]。當前許多煤礦巷道采掘比例失調，增加了掘進回采難度，為解決此問題，許多新裝備、新技術和新工藝不斷產生，自動化、機械化的巷道掘進技術被大量應用，形成運、支和掘進的一體化及智能等是巷道掘進技術發(fā)展的未來趨勢。這也是降低煤礦開采成本和高效安全生產的重要途徑。

1 巷道掘進技術現(xiàn)狀分析

錨桿支護及快速掘進技術的發(fā)展和應用，推動著煤礦巷道開采從爆破、人工掘進向機械化的方向發(fā)展。當前的機械掘進主要有三種類型：單體錨桿鉆機與懸臂式掘進機配套作業(yè)；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機配套作業(yè)；掘錨一體化作業(yè)。其中，單體錨桿鉆機和懸臂式掘進配套作業(yè)應用最廣，具有較好的適應性，不足是掘進速度慢[2]；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機配套作業(yè)為換位交叉，受地質條件限制，不易廣泛推廣使用。掘錨機組一體化作業(yè)為同步作業(yè)，掘進效率較高，但也受地質條件限制，不易廣泛推廣。連續(xù)采煤機主要有工作面回采和巷道掘進兩種功能[3]。隨著巷道設計理念及掘進量的不斷更新及增加，巷道掘進中連續(xù)采煤機的應用不斷拓展。如連續(xù)運輸及間斷式運輸等作業(yè)方式，在此作業(yè)方式中所用的設備主要有錨桿鉆車、連續(xù)采煤機、可伸縮式輸送機和連續(xù)輸送系統(tǒng)等；而間斷運輸施工所用設備主要是帶式可伸縮輸送機、給料破碎機、連續(xù)采煤機、錨桿鉆車和運煤車等。連續(xù)采煤機可完成裝煤、落煤等環(huán)節(jié)，運輸系統(tǒng)和運煤車作業(yè)實現(xiàn)運煤工序，錨桿鉆車完成巷道支護，破碎轉載由破碎機完成，且通過局部通風機和負壓通風聯(lián)合通風方式進行通風。由此可見，連續(xù)采煤配套設備可用于多巷或雙巷掘進，可靈活調整掘進高度，能夠實現(xiàn)支護、掘進平行作業(yè)，掘進尺度大且斷面成形狀況好，施工相對靈活，設備配套形式多樣。但其不足是截割頭不可擺動，斷面均是矩形斷面，不易管理現(xiàn)場，對地質條件要求較高，掘進效率不高且難以確保循環(huán)控頂距。

目前，我國巷道掘進多為掘錨分步施工，相關統(tǒng)計顯示，單個循環(huán)支護時間為其總時間的60%，截割時間約占20%至30%，其余為系統(tǒng)故障影響時間。巷道掘進成巷效率主要由支護作業(yè)時間決定。同時，如果掘進施工環(huán)節(jié)配套不夠完整，裝備效能不能充分發(fā)揮等也是影響掘進速度的重要因素。在巷道快速掘進研究中，國內外常以提升施工的機械化程度和錨桿支護效率為主。為確保掘進速度的高效快速與快速發(fā)展的錨桿支護技術相適應，許多產煤國對其不斷的研究和探索，將錨桿鉆機和掘進機相融合，利用將錨桿鉆機安裝在掘進機上，以一臺設備同時完成掘進中的錨桿打眼、裝煤、安裝及落煤等功能。研制了掘進、掘錨機組和支護的一體機。

掘錨一體機是掘進機和錨桿支護的集合設計，但從生產實踐來看，該一體機的應用效果不太理想，僅能在特定地質條件下獲得應用，多數情況下其掘進率仍很低，不能滿足時代要求，仍然不能解決掘錨平行施工作業(yè)的問題。加上巷道施工工藝及條件限制，對提升巷道掘進效率也產生了一定的影響。

2 巷道掘進技術及設備中存在的問題

懸臂式掘進與錨桿鉆機配套的掘進工藝是當前我國煤礦開采常用的工藝，但這并非是實現(xiàn)了掘進的機械化，只是在運煤和截割方面實現(xiàn)了機械化，在供水、支護、材料、供電等環(huán)節(jié)仍是以人工為主。在工藝上，錨、掘工序仍是空間內有限交替作業(yè)，對安全施工及施工效率都有嚴重影響。我國掘進技術同裝備也獲得了極大發(fā)展，但其自動化程度和機械化程度仍較低，智能化技術應用較少。

機械化程度不高和缺乏系統(tǒng)性是當前我國懸臂式掘進作業(yè)中存在的問題之一。橋式轉載機、錨桿鉆機和懸臂掘進機、帶式輸送機等配套作業(yè)是我國常用的掘進作業(yè)技術，在此作業(yè)中，各工序不夠集中，需要準備的時間較長，許多工序仍是以人工來操作，缺乏機械性和系統(tǒng)性，這種作業(yè)環(huán)境并非真正意義上的機械化掘進。同時，在安全及成本等因素的影響下，巷道空間通常狹小，當前的掘進技術需在截割后實施交替支護作業(yè)，支護和截割都在巷道迎頭，操作空間非常有限，給安全及作業(yè)效率帶來嚴重影響。盡管近年來我國對懸臂式掘進實施了離機遙控和斷面監(jiān)控等研究，且取得一定成果。但仍缺乏在線診斷故障、自動定位導航等核心技術，巷道掘進裝備的自動化程度仍然不高。

作為系統(tǒng)性工程的巷道掘進由截割工序開始到完工，材料運輸、截割、定向測量、供水、除塵、通風及供電、巷道支護等環(huán)節(jié)需要整合并輔以智能化、自動化技術，以形成均衡聯(lián)系、互相配合的高效率生產系統(tǒng)，方能有效地提高煤礦開采掘進的效率及經濟效益。

3 掘進技術及設備發(fā)展趨勢

從上述巷道掘進技術及設備中存在的問題可知，未來掘進技術發(fā)展的趨勢主要是集成化系統(tǒng)性、智能化的方向發(fā)展。巷道掘進作業(yè)具有較強的系統(tǒng)性，不斷改進作業(yè)工藝模式需要探索和實現(xiàn)其配套裝備的一體化和自動化掘進，利用成套的快速掘進裝備，通過不同配套模式，實現(xiàn)運輸、支護、掘進平行作業(yè)，為煤礦巷道供電供水、除塵、運輸及支護、控制等成套的解決方案，并增強其適應性，能夠應用在各種煤層的巷道中。

掘錨機高速掘進系統(tǒng)裝備?？焖倬蜻M系統(tǒng)裝備主要是掘錨機，常用于圍巖穩(wěn)定性強且地質條件簡單的近水平矩形煤層巷道。裝備系統(tǒng)構成為跨騎式錨桿鉆車、破碎轉載機（履帶式）、掘錨機、自移動邁步機尾、可彎曲轉載機（帶式）、自動除塵及移動式力站等系統(tǒng)構成。該系統(tǒng)主要在完成掘錨機割煤后利用破碎裝載機（履帶式）轉運物料，而后有彎曲轉載機運至帶式裝載機。與此同時，錨桿轉載車（跨騎式）也完成巷道支護，該鉆車下部中空，安裝在可彎曲轉載機上端，可平行、掘錨分離作業(yè)。

懸臂式快速掘進系統(tǒng)。該系統(tǒng)的地質適應條件較廣，掘進斷面無限制。綜掘式快速掘進裝備由帶式轉載機、懸臂式掘進、自移機尾、除塵系統(tǒng)、動力在等構成。懸臂式掘進機完成割煤并將物料運至云錨機，由轉載機和自移機尾運送到后配套轉載機。懸臂式掘進機由多臂錨桿和機載單臂錨桿支護，自帶鉆臂系統(tǒng)完成錨索和滯后錨桿支護，以完成掘錨平行施工。

超前支護+懸臂式掘進系統(tǒng)。該系統(tǒng)不受地質條件限制，適用于拱形斷面、矩形巷道掘進。系統(tǒng)構成為：懸臂式掘進、自移機尾、臨時支護支架、動力站、帶式轉載機、除塵系統(tǒng)及云錨機等。施工流程為完成割煤后，超前臨時支架及時支護頂板，對物料進行截割后通過裝運系統(tǒng)送至云錨機，經轉載機和自移機尾輸送至帶式轉載機。超前鉆探機能夠用于迎頭地質異常體的探測，截割時自帶鉆臂系統(tǒng)能夠完成錨索和錨桿支護，以完成平行掘錨作業(yè)。

此外，智能化技術的應用也是掘進技術的未來方向，是提高掘進效率的重要技術支持?？焖倬蜻M系統(tǒng)中，其巷道掘進能力及效率均與其機械化程度相關，如果在掘進系統(tǒng)及設備中有效應用智能化技術，可以大大提高配套設備的機械化程度。智能化設備能夠依據施工現(xiàn)場狀況對工作狀態(tài)進行自動調節(jié)，還可對工作方式進行自主規(guī)劃。智能化技術在快速掘進技術中的應用主要表現(xiàn)在自動導航、位姿、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測及遠程通訊、配套設備等模塊上。采掘技術的智能化使煤礦開采裝備走向精細化，能夠有效地提高掘進效率，提高了煤礦生產的安全性和高效性，且降低了人力成本。當前，世界各國對智能化技術進行了大量研究，我國一些研究單位及高校也對其進行了探索研究，如對規(guī)劃截割軌跡及自適應截割等方面，利用遺傳算法、模糊理論、神經網絡等新算法研究，為提高掘進技術工程指引了方向。但我國掘進技術的智能化研究剛剛起步，現(xiàn)有的智能化技術的應用不夠成熟并缺乏可靠性。

在狀態(tài)監(jiān)測、煤巖識別和診斷故障、通訊技術等方面是國外研究的重點，其將紅外攝像同截割機械振動特征等相結合，利用數據分析識別煤巖邊界，井下現(xiàn)場試驗和理論分析均獲得了正確結果，且采用可靠無線傳感器、機載網絡設備對其振動、溫度和油液泄露等問題進行動態(tài)監(jiān)測，進而能夠實現(xiàn)故障整段的可視化，對于認可形式的控制及監(jiān)測系統(tǒng)，都能通過高寬帶網絡來實現(xiàn)。有研究將激光掃描技術應用在煤巖分界識別技術中，試驗顯示激光掃描模式為二進制，此處理方式明顯優(yōu)于紅外攝像機的處理繁瑣，且簡單而快速。采集截割臂運動、工作視頻及截割參數等參數并上傳到機載處理器中，與地質信息和自動截割控制軟件等相結合，完成掘進機路徑計劃算法，對各個截割參數及軌跡進行自動調整，從而實現(xiàn)了其自適應截割。

總之，當前我國煤礦掘進技術所用的設備均是高自動化、大功率的裝備，提高了工作面的單產，掘進速度得到一定提高。但掘進技術中仍存在機械化、自動化程度低及系統(tǒng)性不強，缺乏智能化技術的應用等問題。這給掘進配套設備提出了較高的要求。可見，提高綜掘技術、智能化和設備性能等是實現(xiàn)快速掘進的重要保障，也是確保煤礦安全高效生產的重要渠道。

參考文獻：

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