煤礦井下巷道新型掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

張永

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 0421000）

隨著煤礦井下綜采作業(yè)裝備和技術(shù)水平的不斷提升，煤炭綜采效率得到了大幅提高，而綜掘工作面的智能化和自動化水平相對滯后，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率低、安全性差，采掘失衡，影響了煤礦井下綜采效率和安全性的進(jìn)一步提升[1]。通過對巷道掘進(jìn)工藝流程的分析，在巷道掘進(jìn)時需要進(jìn)行鉆孔勘探并確定地質(zhì)條件，在巷道掘進(jìn)時掘進(jìn)機(jī)由人工控制，對井下巷道的支護(hù)則主要是依靠人工經(jīng)驗對支護(hù)方式、支護(hù)地點進(jìn)行選擇，人工勞動強(qiáng)度大、支護(hù)效率低、安全性不足。因此勘探、掘進(jìn)、支護(hù)效率低已經(jīng)成為限制井下巷道掘進(jìn)效率提升的核心瓶頸。

為了滿足高效、快速、經(jīng)濟(jì)掘進(jìn)的需求，擬提出一種新型巷道快速掘進(jìn)技術(shù)，即通過采用基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘探測技術(shù)實現(xiàn)對井下地質(zhì)情況的隨掘隨探；通過采用掘進(jìn)機(jī)智能化掘進(jìn)控制技術(shù)，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的智能化掘進(jìn)作業(yè)；通過巷道分次快速支護(hù)技術(shù)，實現(xiàn)對井下巷道支護(hù)效率和安全性的提升。

根據(jù)騰暉煤業(yè)煤礦井下的實際應(yīng)用可知，采用新型掘進(jìn)技術(shù)后，巷道掘進(jìn)效率提高了26.6%，對提升巷道掘進(jìn)效率和安全性具有十分重要的意義。

1 巷道超前勘探技術(shù)

為了確保煤礦井下巷道掘進(jìn)的安全性，在巷道掘進(jìn)前需要對井下地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，便于確定風(fēng)險點，為合理設(shè)計掘進(jìn)方案、支護(hù)方案奠定基礎(chǔ)。常用的地質(zhì)勘探方法主要是鉆孔勘探法，雖然勘探精確度較高，但探測速度慢、探查范圍小，無法滿足掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn)的需求。在對瞬變電磁勘探、基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘勘探等超前勘探方案進(jìn)行對比分析后，確認(rèn)基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘勘探方案具有勘探速度快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點，更適合井下隨掘隨探施工，基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘勘技術(shù)原理如圖1所示[2]。

圖1 基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘勘技術(shù)原理

由圖1可知，基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘勘探工藝能夠在掘進(jìn)施工的過程中進(jìn)行連續(xù)勘探、監(jiān)測。掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個能夠連續(xù)輸出振動波的震源，持續(xù)性好。截割機(jī)構(gòu)的截齒和巖層在截割作業(yè)過程中會逐漸擠壓使巖層破碎，因此持續(xù)時間較長，所激發(fā)的每一次的震波都具有較強(qiáng)的連續(xù)性，從而在巖層內(nèi)形成一個具有連續(xù)性的變頻探測波。

為了滿足對探測波信號的快速分析，系統(tǒng)設(shè)置了雙重濾波系統(tǒng)，首先對脈沖信號進(jìn)行處理，同時通過精細(xì)化成像技術(shù)，實現(xiàn)了對探測范圍內(nèi)地質(zhì)情況的快速探測和成像。根據(jù)在井下的實際應(yīng)用表明，該超前勘探技術(shù)的勘探周期約為64s，探測精度高，實現(xiàn)了對井下巷道地質(zhì)情況的快速勘探的確認(rèn)。

2 掘進(jìn)機(jī)智能化技術(shù)

為了實現(xiàn)井下巷道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的自動控制截割作業(yè)，首先需要解決掘進(jìn)機(jī)在井下巷道內(nèi)的定位和自動行走控制，其次還要解決掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)過程中的智能化截割控制。結(jié)合對井下掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)流程和工作地質(zhì)條件的分析，擬定采用智能導(dǎo)航控制技術(shù)，提高掘進(jìn)機(jī)在井下自動運(yùn)動時的精確性，通過掘進(jìn)機(jī)智能定型截割控制系統(tǒng)來實現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)時的自動化，從而滿足掘進(jìn)機(jī)的“無人化”截割控制需求。

智能導(dǎo)航控制。井下巷道的寬度偏差約為0～80 mm，同時為了滿足掘進(jìn)機(jī)截割控制的需求，掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時的導(dǎo)航精度需要控制在±25 mm以內(nèi)。因此系統(tǒng)采用了慣性導(dǎo)航+視覺組合控制的方式，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行位姿的精確監(jiān)測和控制，掘進(jìn)機(jī)智能導(dǎo)航控制原理如圖2所示[3]。

圖2 掘進(jìn)機(jī)智能導(dǎo)航控制原理

由圖2可知，在該系統(tǒng)中綜合視覺測量、雷達(dá)測距、慣性導(dǎo)航測量等，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行姿態(tài)的精確監(jiān)測，將分析結(jié)果傳遞給掘進(jìn)系統(tǒng)控制器，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)出的移動路徑規(guī)劃，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中位姿偏差的精確計算，最后由導(dǎo)航控制算法確定掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為輸出控制指令，控制掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動，滿足在井下智能導(dǎo)航驅(qū)動控制的需求。由于采用了組合式反饋控制模式[4]，實現(xiàn)了對運(yùn)行過程中姿態(tài)的精確調(diào)控，因此該系統(tǒng)的實際導(dǎo)航控制精度可達(dá)±15 mm，滿足井下自動運(yùn)行控制需求。

井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中經(jīng)常會遇見夾矸、半煤巖等情況，需根據(jù)井下煤層的實際分布狀態(tài)來調(diào)整截割路徑和截割參數(shù)，以保證掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。目前常用的恒功率截割控制、記憶截割控制等，能夠滿足在簡單地質(zhì)條件下的截割控制需求?，F(xiàn)提出一種新的基于視覺伺服的智能截割控制系統(tǒng)，其采用遺傳算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式，能夠快速判斷掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)狀態(tài)，進(jìn)而實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)狀態(tài)的快速調(diào)整，保證截割作業(yè)效率和安全性的需求，該智能截割控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 智能截割控制系統(tǒng)

在掘進(jìn)控制的過程中，系統(tǒng)通過不斷的檢測掘進(jìn)電機(jī)的電壓和電流變化情況及掘進(jìn)機(jī)構(gòu)的振動情況來對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后通過掘進(jìn)機(jī)控制器來對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保掘進(jìn)機(jī)在不同工況下能實現(xiàn)自動控制。

3 巷道分次支護(hù)技術(shù)

通過對井下巷道掘進(jìn)過程的分析，在巷道掘進(jìn)作業(yè)過程中，巷道的支護(hù)時間占據(jù)了巷道掘進(jìn)總時間的50%以上，而且巷道支護(hù)時主要是依靠人工經(jīng)驗，支護(hù)合理性缺乏依據(jù)。這種作業(yè)方式不僅支護(hù)周期長而且支護(hù)可靠性較低，難以滿足井下支護(hù)可靠性的需求。因此迫切需要開發(fā)新的井下巷道快速支護(hù)技術(shù)方案，提高巷道支護(hù)的科學(xué)性和安全性。

在對井下巷道在掘進(jìn)過程中的變化情況進(jìn)行分析可知，圍巖的變形是一個逐步遞進(jìn)的過程，在不同的階段表現(xiàn)出不同的變形特性，而傳統(tǒng)支護(hù)模式中，并未考慮圍巖在不同情況下的變形特性。當(dāng)完成一個掘進(jìn)循環(huán)時，掘進(jìn)機(jī)停止工作，大量工人開始在工作面進(jìn)行全面支護(hù)，不僅作業(yè)人員多，而且支護(hù)周期長，難以滿足巷道快速掘進(jìn)的需求[6]。因此可以考慮利用井下圍巖自身的變形特性和承載能力特性，對巷道的不同區(qū)域進(jìn)行分次支護(hù)。首先確保巷道圍巖變形的穩(wěn)定性，保證巷道掘進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行，然后在掘進(jìn)過程中再進(jìn)行補(bǔ)充支護(hù)，從而減少巷道支護(hù)占用時間過長影響巷道掘進(jìn)效率的不足，井下巷道分次支護(hù)思路如圖4所示。

圖4 分次支護(hù)思路

根據(jù)井下巷道圍巖的變形特性，將井下的巷道支護(hù)分為3次支護(hù)[7]。第一次支護(hù)緊跟著掘進(jìn)面，采用低強(qiáng)度的快速柔性支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度總體較弱，允許巷道圍巖在受力情況下發(fā)生一定的變形，確保巷道安全。第一次支護(hù)時主要采用錨桿支護(hù)，再輔以網(wǎng)片防止落石，屬于臨時支護(hù)的一種。第二次支護(hù)是在不影響巷道掘進(jìn)的情況下對第一次支護(hù)部分進(jìn)行加強(qiáng)，完成剩余錨桿的支護(hù)，而且對巷道兩幫再進(jìn)行錨桿+網(wǎng)片支護(hù)[8]，同時在支護(hù)過程中需要對巷道的變形量進(jìn)行監(jiān)測，保證巷道變形的穩(wěn)定性。第三次支護(hù)則是在滯后掘進(jìn)面約100 m的地方完成頂板的錨索支護(hù)，提高巷道的穩(wěn)定性，阻止巷道圍巖的過量變形。

以騰暉煤業(yè)為例，在巷道掘進(jìn)的過程中，在距掘進(jìn)面0～15 m的范圍內(nèi)頂板的變形速率較大，最大變形量在4 mm/d左右，在15～40 m的范圍內(nèi)，巷道的變形量逐漸降低，約為2 mm/d，在40 m以上的位置，巷道變形量逐步趨于穩(wěn)定。因此一般來說第一次支護(hù)的范圍一般在距掘進(jìn)面0～15 m內(nèi)，第二次支護(hù)主要是在距掘進(jìn)面15～40 m的范圍內(nèi)，通過補(bǔ)打剩余錨桿的方式進(jìn)行支護(hù)。第三次支護(hù)則是在距工作面40～70 m的范圍內(nèi)，進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 應(yīng)用效果

巷道應(yīng)用實例：騰暉煤業(yè)井下1104巷道井下煤層的平均厚度為6.7 m，煤層平均傾斜角為4.2°，煤層平均埋深為442 m，巷道的直接頂和直接底均為砂巖結(jié)構(gòu)，平均厚度為4.2 m，基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度為3.7 m，基本底為粉砂巖，平均厚度為3.2 m。

掘進(jìn)斷面為矩形，尺寸為5.7 m×3.8 m，巷道掘進(jìn)沿著煤層頂板掘進(jìn)，根據(jù)分次支護(hù)要求，在0～15 m內(nèi)進(jìn)行一次支護(hù)，在20～40 m范圍內(nèi)進(jìn)行二次支護(hù)，在40～70 m范圍內(nèi)進(jìn)行三次支護(hù)。其分次支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分次支護(hù)

為了確保井下作業(yè)的便捷性和支護(hù)材料的統(tǒng)一性，所用的頂板錨桿的間距和排距均設(shè)置為1 000 mm，頂板錨桿的規(guī)格統(tǒng)一采用了直徑為18 mm，長度為2 200 mm的圓鋼。第一次支護(hù)時在10～12.5 m的范圍內(nèi)支護(hù)4排，在12.5～15 m的范圍內(nèi)支護(hù)3排，每排設(shè)置6個錨桿，頂板上的鋼筋網(wǎng)采用?6.5 mm×150 mm×150 mm的網(wǎng)版規(guī)格。第二次支護(hù)時主要是對幫部進(jìn)行支護(hù)，利用CMM2-15型鉆車進(jìn)行鉆進(jìn)，錨桿之間的間距為1.2 m×1 m，錨固長度設(shè)置為600 mm。第三次支護(hù)主要是錨索支護(hù)，間排距為1 000 mm。

通過分次支護(hù)的模式，將原先需要一次支護(hù)完成的結(jié)構(gòu)更改為分3次完成，而且第二次和第三次支護(hù)不影響井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，因此能夠有效提升井下巷道有效掘進(jìn)時間，提高井下巷道掘進(jìn)的效率和安全性。

根據(jù)在騰暉煤業(yè)井下的應(yīng)用實踐表明，采用上述技術(shù)后，巷道月進(jìn)尺由原來的852.7 m提高到目前的1 079.3 m，掘進(jìn)效率提升了26.6%，井下巷道掘進(jìn)效率有了顯著提升。由于采用了分次支護(hù)方案，巷道圍巖變形量由最初的18.6 mm增加到了目前的20.4 m，變形量增加了約9.7%，這主要是由于分次支護(hù)允許前期巷道有一定變形，但其整體變形量滿足井下變形安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1）針對騰暉煤業(yè)煤礦井下巷道掘進(jìn)效率低的問題，擬定采用一種新的快速掘進(jìn)技術(shù)：通過采用基于掘進(jìn)機(jī)震源的隨掘探測，實現(xiàn)了對井下地質(zhì)情況的隨掘隨探；通過采用掘進(jìn)機(jī)智能化掘進(jìn)控制技術(shù)，實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的智能化掘進(jìn)作業(yè)；通過巷道分次快速支護(hù)，實現(xiàn)了對井下巷道支護(hù)效率和安全性的提升。

2）基于掘進(jìn)機(jī)震源的勘探周期約為64s，探測精度高，能夠滿足井下隨掘隨探勘探需求；智能導(dǎo)航控制技術(shù)+智能截割控制系統(tǒng)的實際導(dǎo)航控制精度可達(dá)±15 mm，能夠滿足掘進(jìn)機(jī)的自主運(yùn)行、自主截割控制需求；分次支護(hù)技術(shù)，能夠有效提升井下巷道有效掘進(jìn)時間，提高井下巷道掘進(jìn)的效率和安全性。

3）采用該技術(shù)后，巷道掘進(jìn)效率提高了26.6%，提升了井下巷道掘進(jìn)效率和安全性。