煤礦巷道快速掘進(jìn)技術(shù)及快速掘進(jìn)裝備發(fā)展現(xiàn)狀研究

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（山西西山煤電股份有限公司西曲礦 山西 030200）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤礦開(kāi)采行業(yè)不斷發(fā)展，采礦技術(shù)水平不斷提升，但因快速掘進(jìn)技術(shù)與設(shè)備發(fā)展速度緩慢，導(dǎo)致許多企業(yè)出現(xiàn)采掘失調(diào)情況，嚴(yán)重影響發(fā)展效率。對(duì)于快速掘進(jìn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要存在機(jī)械化程度低、智能技術(shù)缺失、機(jī)組一體化效果不佳等問(wèn)題，急需加強(qiáng)設(shè)備與技術(shù)的全面創(chuàng)新，引導(dǎo)該技術(shù)朝著集成化、智能化等方向發(fā)展，在提高開(kāi)采與掘進(jìn)效率的同時(shí)，節(jié)約更多的經(jīng)濟(jì)成本。

1.煤礦巷道快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)煤礦普遍采用懸臂式掘進(jìn)與單體錨桿鉆機(jī)聯(lián)合掘進(jìn)技術(shù)，但并不能看成是成熟的聯(lián)合掘進(jìn)。在設(shè)備方面，單純采用運(yùn)煤、裁割等機(jī)械化作業(yè)，在巷道支護(hù)、供水、供電、材料運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，仍然利用人工作業(yè)；在工藝層面，掘、錨工序在掘進(jìn)迎頭有限空間中交叉作業(yè)，使施工效率與安全受到極大影響。在巷道掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展中，在智能化、機(jī)械化、一體化等層面仍然存在不足，導(dǎo)致發(fā)展現(xiàn)狀不夠樂(lè)觀，具體如下。

（1）機(jī)械化程度低。當(dāng)前大部分煤礦企業(yè)采用懸臂式掘進(jìn)作業(yè)線，主要依靠單體錨鉆機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備。在掘進(jìn)工序中，只對(duì)裁割、運(yùn)煤等個(gè)別工序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，剩余工序均由人工完成。同時(shí)，不同工序相互分散，需要投入大量準(zhǔn)備時(shí)間，掘進(jìn)系統(tǒng)性較弱，機(jī)械化程度較低，無(wú)法稱得上成熟完善的聯(lián)合掘進(jìn)。

（2）智能技術(shù)缺失。近年來(lái)，我國(guó)加強(qiáng)對(duì)懸臂式掘進(jìn)技術(shù)的研究，陸續(xù)研制出離機(jī)遙控、斷面監(jiān)控等技術(shù)，但在故障自動(dòng)診斷、自動(dòng)定位、記憶裁割等核心科技方面仍存在技術(shù)斷層，導(dǎo)致掘進(jìn)設(shè)備自動(dòng)化水平較低，智能化不足。巷道掘進(jìn)屬于系統(tǒng)性工程，從裁割到巷道完工需要經(jīng)歷多個(gè)流程，一些年限較長(zhǎng)的巷道還要實(shí)施噴漿支護(hù)，只有將上述工序全部整合起來(lái)，才能形成一條高效、配合有序、可持續(xù)生產(chǎn)的掘進(jìn)系統(tǒng)，提高掘進(jìn)速度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）掘錨機(jī)組一體化效果不佳。從傳統(tǒng)層面來(lái)看，作業(yè)線的存在為掘進(jìn)工藝帶來(lái)諸多不便，因此掘進(jìn)機(jī)組一體化有助于實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、運(yùn)輸、錨桿支護(hù)等平行操作。因機(jī)組一體化可采用相同設(shè)備實(shí)現(xiàn)采礦一系列工作，因此在開(kāi)采環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，一體化的應(yīng)用效果不佳，在許多礦井施工中難以取得理想的施工效果。究其原因，機(jī)組一體化實(shí)際上并未徹底解決完全平行作業(yè)問(wèn)題，受外界因素干擾仍然較大。因機(jī)組一體化單純適用于煤巷掘進(jìn)，導(dǎo)致后續(xù)維護(hù)成本增加，一體化設(shè)備體積龐大，不但導(dǎo)致整體工作面通道面積縮減，當(dāng)遇到底板不穩(wěn)固區(qū)域時(shí)還容易陷入其中，需要投入諸多人力與時(shí)間才可將其挖出。同時(shí)，一體化設(shè)備調(diào)試周期較長(zhǎng)，設(shè)備占地面積大，在支護(hù)時(shí)作業(yè)者站位受限，危及人身安全。

2.快速掘進(jìn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

（1）項(xiàng)目簡(jiǎn)介。以G煤礦企業(yè)開(kāi)采項(xiàng)目為例，采場(chǎng)主要是深度為-900—-1000m的區(qū)域，且受高地溫、高地壓、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響較大，巷道掘進(jìn)效率較低，生產(chǎn)接續(xù)十分緊張。對(duì)于上述問(wèn)題，相關(guān)管理者通過(guò)綜合分析后，決定對(duì)掘進(jìn)設(shè)備、技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，使巷道在安全范圍內(nèi)能夠快速掘進(jìn)，確保礦井科學(xué)有序生產(chǎn)。

（2）裝備與系統(tǒng)創(chuàng)新。要想提高巷道掘進(jìn)效率，必須采取機(jī)械化施工模式，走智能科技化道路。近年來(lái)，該企業(yè)積極采取措施，致力于發(fā)展掘進(jìn)機(jī)械化，促進(jìn)裝備與機(jī)械化管理的全面升級(jí)，具體措施如下。

①掘進(jìn)裝備創(chuàng)新。第一階段，采用炮掘耙裝機(jī)出煤，放炮落煤，將型號(hào)為30B耙裝機(jī)與型號(hào)為PD150皮帶機(jī)結(jié)合起來(lái)，各個(gè)生產(chǎn)班只可采用一個(gè)循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)，生產(chǎn)效率較低，容易出現(xiàn)安全事故；第二階段，采用炮掘裝煤機(jī)出煤，利用放炮落煤，將型號(hào)為ZMC-60的裝煤機(jī)與型號(hào)為PD150的皮帶機(jī)結(jié)合起來(lái)，各個(gè)生產(chǎn)班組均可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)，使效率有所提升，作業(yè)環(huán)境得到改善，安全事故得到控制；第三階段是采用聯(lián)合機(jī)械化掘進(jìn)，在條件適宜的基礎(chǔ)上，采用大功率的EBZ-230掘進(jìn)機(jī)，該設(shè)備穩(wěn)定性強(qiáng)，與上文提到的掘進(jìn)設(shè)備相比，單進(jìn)水平顯著提升。

②在掘進(jìn)機(jī)械化方面，該企業(yè)主要采用以下措施。首先，現(xiàn)有掘進(jìn)頭禁止人為擅自改變?yōu)榕诰蜻M(jìn)，優(yōu)先使用機(jī)械化作業(yè)的掘進(jìn)面，如若實(shí)在無(wú)法實(shí)現(xiàn)，才可采用炮掘；其次，加強(qiáng)綜合掘進(jìn)設(shè)備的維修，檢修機(jī)構(gòu)維修后，在正式投入使用之前應(yīng)簽訂質(zhì)量保障協(xié)議，3個(gè)月內(nèi)不會(huì)因檢修質(zhì)量低下而出現(xiàn)故障，如若發(fā)生故障影響生產(chǎn)，則由檢修單位承擔(dān)損失，并追究檢修者的責(zé)任。最后，為確保綜合掘進(jìn)設(shè)備各零件的正常應(yīng)用，應(yīng)由供應(yīng)部門親臨一線，充分掌握綜掘設(shè)備的應(yīng)用情況，對(duì)容易破損的部件進(jìn)行歸類，合理儲(chǔ)備，確保供應(yīng)，有效解決煤礦開(kāi)采機(jī)構(gòu)的后顧之憂，對(duì)于因缺少配件而阻礙生產(chǎn)的情況，追究相關(guān)部門責(zé)任。通過(guò)上述裝備與管理的創(chuàng)新，使掘進(jìn)設(shè)備得到更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝優(yōu)化創(chuàng)新，巷道單進(jìn)水平得到顯著提升。

③外圍排矸系統(tǒng)優(yōu)化。礦區(qū)17#煤運(yùn)輸上山開(kāi)拓掘進(jìn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，快速創(chuàng)建排矸作業(yè)線，具體措施如下：一方面，完善矸流系統(tǒng)。在掘進(jìn)巷道中安裝跟窩皮帶，型號(hào)選擇為PD150，機(jī)頭卸載滾筒與儲(chǔ)矸倉(cāng)相對(duì)，機(jī)尾在迎頭耙樁基處下方，將迎頭掘進(jìn)的矸石運(yùn)輸?shù)酵饨纾?jié)約更多矸石在掘進(jìn)面的堆積時(shí)間，使工作面的掘進(jìn)施工空間擴(kuò)大。矸石在采場(chǎng)外裝車、迎頭放炮掘進(jìn)等方面盡量平行作業(yè)，使工序間的銜接關(guān)系得到優(yōu)化。掘進(jìn)迎頭選取型號(hào)為60B的耙裝機(jī)，對(duì)迎頭矸石進(jìn)行清理，將其與型號(hào)為PD150的皮帶機(jī)耦合起來(lái)，使矸石順利運(yùn)輸出去，與以往掘進(jìn)排矸相比，效率可增加一倍以上；另一方面，選擇恰當(dāng)?shù)膬?chǔ)藏巖倉(cāng)。沿用采區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的煤倉(cāng)當(dāng)作儲(chǔ)藏巖倉(cāng)，用于存儲(chǔ)迎頭運(yùn)輸出來(lái)的矸石，并將工作面后移，為迎頭快速支護(hù)提供便利。該倉(cāng)可容納400m3的材料，存儲(chǔ)5天的矸石，即便在礦車運(yùn)轉(zhuǎn)不暢的情況下，仍可確保巷道連續(xù)5天的正常運(yùn)行。在倉(cāng)的下方為采取運(yùn)輸石門，利用電機(jī)車牽引排矸，便可構(gòu)成一條快速順暢的矸石運(yùn)輸線。

（3）優(yōu)化效果。通過(guò)采用上述方式對(duì)掘進(jìn)裝備與系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道單進(jìn)1200m后，發(fā)現(xiàn)裝置應(yīng)用效果良好，煤流系統(tǒng)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，優(yōu)化效果如下。

①在采區(qū)域回風(fēng)巷口間構(gòu)建煤流系統(tǒng)，無(wú)消防隱患產(chǎn)生，且系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)潔順暢；

②在作業(yè)面外口與進(jìn)回風(fēng)巷之間無(wú)需設(shè)置施工交叉點(diǎn)，可減少大約100m巖巷作業(yè)量，減少150萬(wàn)元的成本投入，工期縮短60天；

③與以往采區(qū)溜煤相比，該裝置較為簡(jiǎn)單，投資成本只有500元，且運(yùn)行可靠，能夠與現(xiàn)場(chǎng)操作要求相符合，不但可節(jié)約設(shè)備與煤倉(cāng)投入量，還可減少大量掘進(jìn)人工費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用優(yōu)化后的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益良好，與采掘作業(yè)相比，可提前60天成面，有效緩解生產(chǎn)接續(xù)，各項(xiàng)投資共計(jì)節(jié)約200萬(wàn)元左右。

3.快速掘進(jìn)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

（1）系統(tǒng)集成化。綜掘式快掘系統(tǒng)可用于多種地質(zhì)條件下的巷道掘進(jìn)中，且斷面不受限制。系統(tǒng)包括帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)錨機(jī)、動(dòng)力站等內(nèi)容。系統(tǒng)集成化主要體現(xiàn)在快速掘進(jìn)系統(tǒng)與懸臂式掘進(jìn)機(jī)聯(lián)合應(yīng)用，也是未來(lái)快速掘進(jìn)技術(shù)的主要發(fā)展方向。該設(shè)備適用于各種地質(zhì)條件，主要流程為：懸臂式割煤完畢后，超前臨時(shí)支護(hù)支架進(jìn)行頂板支護(hù)，通過(guò)該系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)錨機(jī)中，再利用帶式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)送到后方配套的轉(zhuǎn)載機(jī)中，便可實(shí)現(xiàn)迎頭地質(zhì)異常體的探測(cè)。在掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中，運(yùn)錨機(jī)通過(guò)自帶鉆臂系統(tǒng)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)巷道錨桿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)掘錨的平行作業(yè)目標(biāo)。將巷道掘進(jìn)作為系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，對(duì)相關(guān)工藝模式進(jìn)行改進(jìn)，與此同時(shí)探索與之匹配的一體化掘進(jìn)模式，通過(guò)成熟完善的裝備，實(shí)現(xiàn)支護(hù)、掘進(jìn)與運(yùn)輸?shù)钠叫凶鳂I(yè)，為礦井支護(hù)、巷道掘進(jìn)、供電、給排水等提供科學(xué)可行的解決方案，形成適用于多個(gè)煤層的煤巷、巖巷快速掘進(jìn)模式。

（2）智能化。從整體趨勢(shì)上看，煤礦裝備智能化發(fā)展已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，因以往煤礦裝備工作效率較低，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，使生產(chǎn)安全無(wú)法得到切實(shí)保障。當(dāng)前，世界各國(guó)都在加強(qiáng)煤礦裝備技術(shù)智能化的研究，如故障自動(dòng)診斷、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等等，使掘進(jìn)設(shè)備不但具有傳統(tǒng)職能，還增加了地質(zhì)條件識(shí)別、遠(yuǎn)程通訊、故障診斷等功能。我國(guó)在“十三五”之后，各大院校與科研單位均開(kāi)始強(qiáng)化掘進(jìn)設(shè)備智能化研究，盡管當(dāng)前仍處于起步階段，但也充分說(shuō)明我國(guó)在該領(lǐng)域研究方面擁有巨大潛力。當(dāng)前國(guó)外研究主要為煤巖識(shí)別技術(shù)、故障診斷、通訊技術(shù)等方面，技術(shù)人員利用紅外攝像、裁割機(jī)械振動(dòng)特性，通過(guò)數(shù)據(jù)分析識(shí)別煤巖邊界，根據(jù)理論分析獲取精準(zhǔn)結(jié)果。通過(guò)可靠的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與無(wú)線傳感器等，對(duì)設(shè)備振動(dòng)、溫度、油液滲漏等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)創(chuàng)建可視化故障診斷系統(tǒng)，支持多種形式的監(jiān)控。以ADRIS項(xiàng)目為例，科研人員重點(diǎn)對(duì)煤巖分界技術(shù)展開(kāi)研究，基于現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，將激光掃描技術(shù)引入其中，根據(jù)試驗(yàn)可知，激光掃描為二進(jìn)制模式，與紅外攝影機(jī)圖片后處理相比更加方便快捷。

4.結(jié)論

綜上所述，近年來(lái)，我國(guó)采礦行業(yè)飛速發(fā)展，工作面單產(chǎn)不斷提升，采掘關(guān)系日益緊張，甚至出現(xiàn)失衡情況。與采煤技術(shù)與裝備相比，掘進(jìn)工作面的技術(shù)與裝備發(fā)展較為緩慢，在機(jī)械化、智能與與一體化方面存在諸多不足。對(duì)此，為了適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，應(yīng)通過(guò)掘進(jìn)裝備創(chuàng)新、外圍排矸系統(tǒng)優(yōu)化等方式實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備與系統(tǒng)升級(jí)，為煤礦可持續(xù)發(fā)展、高效生產(chǎn)提供切實(shí)保障。