我國煤巷快速掘進作業(yè)線現(xiàn)狀分析

余長宏，寧掌玄，陳濤濤，劉曉杰，周 豪

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

2022 年8 月，科技部等九部委聯(lián)合印發(fā)了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022-2030 年）》,要求我國煤礦企業(yè)加快發(fā)展煤炭能源綠色開采技術(shù)。此外，中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2020 煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告》指出，到“十四五”末期，全國煤礦數(shù)量將壓縮至4 000 處左右。

截止2021 年底，我國煤礦巷道掘進工作面的機械化程度相較于采煤工作面低了約35.95%，為此，煤礦企業(yè)投入了三倍于綜采隊的人員進行掘進作業(yè)。盡管如此，巷道掘進平均月進尺仍不足綜采平均月消耗巷道進尺的三分之一。在采用掘進機作業(yè)線的巷道掘進中，割煤作業(yè)的時間僅占一個循環(huán)作業(yè)時間的20%～30%，支護作業(yè)的時間占比卻大于二分之一，存在著嚴(yán)重的掘支失衡問題。為此，現(xiàn)介紹巷道快速掘進作業(yè)線的施工現(xiàn)狀，總結(jié)影響巷道快速掘進的因素及巷道快速掘進作業(yè)線的發(fā)展方向。

1 現(xiàn)有快速掘進作業(yè)線

煤巷掘進就是在煤層中通過掘進設(shè)備將部分煤體截割下來，形成一條具有特定功能的巷道，并通過運輸設(shè)備將截割下來的煤體運送到巷道外，接著對新掘進的巷道進行支護的過程。煤礦巷道快速掘進作業(yè)線是指由巷道掘進各工序應(yīng)用到的施工設(shè)備所組成的機械化配套系統(tǒng)。

1.1 懸臂式掘進機作業(yè)線

懸臂式掘進機作業(yè)線目前是我國煤巷應(yīng)用最為普遍的一種作業(yè)線，由懸臂式掘進機、臨時支護裝置等設(shè)備組成，工作特點為：①可適應(yīng)巷道斷層和起伏情況；②可適應(yīng)普氏系數(shù)f＜8 的巷道掘進；③掘進機穩(wěn)定性強，維修周期較短；④臨時支護工序繁瑣，且掘支不能平行作業(yè)；⑤工序轉(zhuǎn)換時間長，掘進速度慢，勞動強度大。

懸臂式掘進機按截割功率可分為輕型、中型和重型三類，其中煤巷掘進中應(yīng)用最多的為中型懸臂式掘進機，且多數(shù)被加裝了臨時支護裝置和錨桿鉆機。現(xiàn)階段，懸臂式掘進機的研究集中在智能截割技術(shù)、遠程智能監(jiān)控技術(shù)、智能導(dǎo)航技術(shù)和智能協(xié)同控制技術(shù)四個方面[1]。

懸臂式掘進機作業(yè)線主要有兩種：懸臂式掘進機+機載臨時支架作業(yè)線（下面簡稱掘進機機載支護作業(yè)線）和懸臂式掘進機+自移式臨時支架作業(yè)線（下面簡稱掘進機自移支護作業(yè)線）。

（1）掘進機機載支護作業(yè)線，是目前我國煤巷應(yīng)用最廣泛的作業(yè)線，如圖1、2。2014 年，劉建華在EBJ-120TΡ 型掘進機的基礎(chǔ)上研制了可折疊伸縮的機載式臨時支架[2]。2022 年，金峰等對機載臨時支架進行改進設(shè)計，增加了前探支護功能和錨網(wǎng)吸附結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 掘進機機載支護作業(yè)線現(xiàn)場布置示意圖

圖2 機載臨時支架結(jié)構(gòu)示意圖

（2）掘進機自移支護作業(yè)線，如圖3、4。自移式臨時支架可分為主、副支架，支護時，主、副支架同時支撐巷道；行走時，主（副）支架收縮，副（主）支架繼續(xù)支撐巷道，主（副）支架在液壓油缸的推動下實現(xiàn)前移。楊東輝等在2015 年采用框架滑移交替邁步結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種新型邁步式臨時支架，同時設(shè)計了上網(wǎng)機構(gòu)，實現(xiàn)了自動鋪網(wǎng)[4]。2021 年，王東杰等設(shè)計了一種適用于自移式臨時支架的胡克鉸，分散了鉸接處的應(yīng)力分布[5]。

圖3 掘進機自移支護作業(yè)線現(xiàn)場布置示意圖

圖4 自移式臨時支架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 連續(xù)采煤機作業(yè)線

連續(xù)采煤機作業(yè)線由連續(xù)采煤機、錨桿臺車等設(shè)備組成，通過連續(xù)采煤機和錨桿臺車反復(fù)交換作業(yè)位置來實現(xiàn)掘支平行作業(yè)，如圖5。連續(xù)采煤機在一條巷道中按照先“切槽”后“采垛”的方式掘進，錨桿臺車則在另外一條巷道中進行支護。掘進一段距離后，連續(xù)采煤機還需要開掘兩條巷道間的聯(lián)絡(luò)巷。

圖5 連續(xù)采煤機工藝現(xiàn)場布置簡圖

連續(xù)采煤機作業(yè)線的工作特點：①適用于雙巷或多巷掘進；②需要開拓聯(lián)絡(luò)巷，增加了掘進成本；③存在反復(fù)支撐碾壓頂?shù)装瀣F(xiàn)象；④掘支可平行作業(yè)；⑤只適用于普氏系數(shù)f＜4的煤巷掘進。

2017 年，小松礦業(yè)公司推出14CM30 型連采機，首次應(yīng)用在波蘭的Budryk 煤礦401 煤層，最高推進速度為27 m/min[6-7]。近年來，我國連續(xù)采煤機的研制取得了一定的成功，先后突破了高可靠性重載截割齒輪箱、千伏交流變頻牽引調(diào)速技術(shù)和連續(xù)采煤機導(dǎo)航定位技術(shù)等一系列技術(shù)難題。2021 年，神東煤炭集團等多家廠家聯(lián)合研發(fā)的智能連采機在大柳塔煤礦投入運行，該機由工作面集控中心、5G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、激光導(dǎo)引+組合慣導(dǎo)、煤巖分界輔助識別以及自動控制系統(tǒng)[8]共5部分組成。

1.3 掘錨一體機作業(yè)線

掘錨一體機作業(yè)線是最具發(fā)展前景的一種作業(yè)線，主要設(shè)備為掘錨一體機。掘錨一體機作業(yè)線是在一個作業(yè)循環(huán)內(nèi)，掘錨一體機通過切割滾筒進行掘進作業(yè)，同時由機載錨桿鉆機進行低密度的錨桿、錨索支護作業(yè)，由后續(xù)的錨桿鉆車進行補強支護作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)完成一次成巷，如圖6。

圖6 掘錨一體機作業(yè)線現(xiàn)場布置示意圖

掘錨一體機作業(yè)線的工作特點：①功能集成度高，故障率高，維修周期長；②主要應(yīng)用在大斷面單巷掘進，且巷道成型質(zhì)量好；③掘錨平行作業(yè)，但支護時間大于割煤時間；④接地比壓大；⑤作業(yè)線的協(xié)調(diào)性好，但靈活度低，調(diào)機困難；⑥只適用于普氏系數(shù)f＜4的煤巷掘進。

在研發(fā)之初，掘錨一體機是為了實現(xiàn)全寬一次成巷和掘支平行作業(yè)。由于掘錨一體機的適應(yīng)性差等原因，目前僅在部分圍巖穩(wěn)定性較高的煤巷掘進中進行了試用。2021 年，王國法團隊研發(fā)了基于掘錨一體機作業(yè)線的遠程控制智能快速掘進系統(tǒng)，并且攻克了高精度自主導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)了“全息”感知與場景再現(xiàn)[9]。

2 現(xiàn)有快速掘進作業(yè)線應(yīng)用情況

圖7、8 為依據(jù)表1[10-17]繪制的柱形圖。圖7 可知，掘錨一體機作業(yè)線的平均月掘進量為900.75 m，連續(xù)采煤機作業(yè)線的平均月掘進量為1 042.25 m，懸臂式掘進機作業(yè)線的平均月掘進量僅為349.25 m，這三種作業(yè)線的平均月掘進量大致反映了我國現(xiàn)階段的掘進水平。從柱狀圖分布可以看出，連續(xù)采煤機作業(yè)線和掘錨一體機作業(yè)線的掘進速度普遍高于懸臂式掘進機作業(yè)線的掘進速度。此外，懸臂式掘進機作業(yè)線的平均月掘進量較掘錨一體機作業(yè)線低了約61.23%，較連續(xù)采煤機作業(yè)線低了約66.49%。由此可知，掘進設(shè)備的智能化提升可以極大提高掘進速度。

表1 我國16處大型礦井統(tǒng)計表

圖7 煤礦巷道月掘進量柱形圖

圖8 可知，在作業(yè)線相同時，巷道月掘進實體煤巖量和臨時支護裝置的有效控頂距成正比關(guān)系。由此可知，加大臨時支護裝置的有效控頂距可以提升巷道掘進速度。自移式臨時支架的平均有效控頂距是4.50 m，比機載式臨時支架的平均有效控頂距多了約32.35%。掘進機自移支護作業(yè)線的平均月掘進實體煤巖量為8 786.50 m3，比掘進機機載支護作業(yè)線的平均月掘進實體煤巖量多了約41.56%。這表明自移式臨時支架的有效空頂距普遍比機載式臨時支架的有效空頂距大，同時也再次表明有效空頂距的增加有利于提升巷道掘進速度。

圖8 巷道月掘進煤巖量與有效控頂距柱狀-點線圖

通過前文的分析，發(fā)現(xiàn)影響煤巷快速掘進的因素可以概括為：

（1）臨時支架的有效控頂距。臨時支架有效控頂距的大小決定了作業(yè)線循環(huán)進尺的大小，進而影響了巷道的掘進速度。此外，掘進機作業(yè)線想要實現(xiàn)掘支平行作業(yè)就必須加大臨時支架的有效控頂距。

（2）新型掘進裝備的研發(fā)及其智能化。連續(xù)采煤機作業(yè)線和掘錨一體機作業(yè)線的掘進速度大約是懸臂式掘進機作業(yè)線的2～3 倍，表明新型掘進設(shè)備的研發(fā)是非常有意義的。但表1中巴彥高勒煤礦、雙欣煤礦、神東公司上灣煤礦都位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯，檸條塔礦井和神東公司大柳塔煤礦都位于陜西神木，并且他們都屬于神府-東勝煤田。這表明，掘錨一體機和連續(xù)采煤機的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性還有待提升，許多關(guān)鍵性技術(shù)還有待科研攻關(guān)。

3 未來發(fā)展方向

煤礦掘進裝備和支護裝備的研發(fā)與施工工藝的優(yōu)化能夠有效促進煤礦巷道的快速掘進，解決采掘失衡和掘支失衡問題。因此，“十四五”期間，國家和企業(yè)將會加快提升掘進工作面的機械化水平。

（1）長距離臨時支護技術(shù)。長距離臨時支護技術(shù)是在保證巷道圍巖穩(wěn)定的情況下，擴大臨時支護裝置控頂距的技術(shù)，是懸臂式掘進機作業(yè)線實現(xiàn)快速掘進的關(guān)鍵因素。該技術(shù)有兩種發(fā)展方向：①基于機載臨時支架，向著掘支錨一體化方向發(fā)展，實現(xiàn)懸臂式掘進機作業(yè)線的掘支平行作業(yè)，重難點是如何在不影響掘進作業(yè)的前提下大幅提升機載臨時支架的支護性能；②基于自移式臨時支架，向著長距離全斷面支護方向發(fā)展，實現(xiàn)懸臂式掘進機作業(yè)線的掘支平行作業(yè)，重難點是實現(xiàn)支架的智能化前移?，F(xiàn)階段，自移式臨時支架的有效控頂距普遍大于機載式臨時支架的有效控頂距。由此可見，基于自移式臨時支架的長距離臨時支護技術(shù)有望提前實現(xiàn)懸臂式掘進機作業(yè)線的掘支平行作業(yè)。

（2）掘錨一體化技術(shù)。掘錨一體化技術(shù)是將掘進作業(yè)和打錨桿作業(yè)集成在一臺設(shè)備上的技術(shù)。該技術(shù)目前存在的核心問題是適應(yīng)性差，需要提升掘進環(huán)節(jié)和錨護環(huán)節(jié)的智能化程度。通過智能化研究，縮小各個構(gòu)件的體積和質(zhì)量，優(yōu)化錨護環(huán)節(jié)的作業(yè)軌跡，加強各個工藝環(huán)節(jié)的銜接，以此來增加掘錨一體化技術(shù)的適應(yīng)性。掘錨一體機將會是未來掘進作業(yè)的主要設(shè)備，而探、掘、錨、運一體化必將是掘錨一體機的發(fā)展方向。

（3）掘進機智能導(dǎo)航技術(shù)。掘進機智能導(dǎo)航技術(shù)是指通過視覺、激光、無線電或傳感器等元器件檢測掘進機的空間位姿信息，并指導(dǎo)掘進機完成前進動作的技術(shù)。目前，該技術(shù)的實現(xiàn)方法主要有五種：機器視覺、激光測距、全站儀、超帶寬、慣性導(dǎo)航技術(shù)。掘進機智能導(dǎo)航技術(shù)可以解決掘進機的跑偏問題，從而提高掘進效率。未來可能主要從兩個方面進行攻關(guān)研究：①將五種方法進行有效組合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，進而實心掘進機的智能導(dǎo)航，其核心問題高性能組合算法和組合方式的研發(fā)；②集中攻克慣性導(dǎo)航技術(shù)的誤差不收斂問題，提升MEMS 慣性傳感器的性能。

4 結(jié)語

采掘失衡和掘支失衡是我國煤礦巷道掘進面臨的難題，通過提升煤礦巷道掘進工作面的機械化水平可以有效解決這類問題，需要盡可能地提升臨時支護裝置和掘進設(shè)備的自動化和智能化水平。現(xiàn)階段，煤礦巷道快速掘進作業(yè)線將有望從長距離臨時支護技術(shù)、掘錨一體化技術(shù)和掘進機智能導(dǎo)航技術(shù)這三個方面做出突破，并逐步實現(xiàn)智能化。