煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討

袁猛，崔東偉

（1.山東能源集團(tuán)棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）付村煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東能源集團(tuán)棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）柴里煤礦，山東 棗莊 277000）

目前，借助高效掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行煤礦的開采工作已經(jīng)成為煤礦開采行業(yè)的重要技術(shù)手段，在得到廣泛應(yīng)用的同時，也在實際的煤礦開采工作中取得了一定的成效。但從實際的煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用層面來看，仍然存在眾多不足之處，需要相關(guān)人員進(jìn)行深入的探索和分析?；诖?，本文通過具體的案例介紹，分析現(xiàn)階段我國煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀，并展望了其未來的發(fā)展趨勢，希望能夠為煤礦開采行業(yè)應(yīng)用高效掘進(jìn)技術(shù)提供參考。

1 工程案例

1.1 案例概況

棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）付村煤礦當(dāng)前階段主采3下煤層，上覆3上煤層，層間距平均約5.98m，屬近距離煤層，層間巖性主要為泥巖與粉砂巖。3下1008工作面運輸巷沿上覆小煤柱內(nèi)錯布置，平面間距為19.1m；材料巷沿上覆小煤柱5.1m外錯布置。3下1008工作面兩巷掘進(jìn)期間，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，未見明顯礦壓顯現(xiàn)；3下1008工作面回采時，回采巷道圍巖變形破壞劇烈，具體表現(xiàn)為超前工作面120m范圍內(nèi)巷道頂板下沉嚴(yán)重，煤壁片幫，出現(xiàn)底鼓與大量錨桿（索）破斷現(xiàn)象；同時，該工作面斷層發(fā)育，受斷層影響巷道層理紊亂，下伏煤層頂板巖層裂隙發(fā)育，完整性較差，若采用被動架棚支護(hù)，易發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)自燃及瓦斯等災(zāi)害，對巷道圍巖穩(wěn)定控制及安全生產(chǎn)造成不利影響，且傳統(tǒng)錨桿支護(hù)理論很難進(jìn)行科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計。此外，在3下1008工作面回采結(jié)束后（2022年4月30日），為滿足礦井生產(chǎn)接續(xù)，需沿3下1008采空區(qū)掘進(jìn)3下1009運輸巷，預(yù)計留設(shè)4.5m沿空小煤柱護(hù)巷；因此，針對付村煤礦極近距離煤層開采，需解決兩個科學(xué)問題：（1）極近距離煤層下伏采動敏感型巷道圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理；（2）沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制對策。其掘進(jìn)工作面布局如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面布局

1.2 煤礦掘進(jìn)作業(yè)流程

該煤礦掘進(jìn)工作主要是由掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運輸機(jī)等眾多設(shè)備構(gòu)成，其中，最關(guān)鍵的設(shè)備為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。其具體掘進(jìn)作業(yè)流程如下所示。

（1）施工前的準(zhǔn)備作業(yè)。在進(jìn)入掘進(jìn)工作面后，需要對涉及的設(shè)備展開全面的檢查，在掘進(jìn)工作期間，需要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的掘進(jìn)進(jìn)度，并對掘進(jìn)速度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

（2）開展截割作業(yè)。在開展截割作業(yè)時，需要遵守從上至下的原則進(jìn)行切割，在完成一個較為完整的裝運工作之后，需要將掘進(jìn)機(jī)駛出掘進(jìn)現(xiàn)場，并切斷電源，同時將煤幫進(jìn)行平衡后，再安裝頂錨桿。

（3）開展支護(hù)作業(yè)。在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)的過程中，首先要用掛網(wǎng)充當(dāng)臨時的支護(hù)，然后再利用錨桿對截割巷道進(jìn)行支護(hù)，在安裝錨桿時，需要先平衡兩個側(cè)幫之后再進(jìn)行掛網(wǎng)和裝托板的安裝固定。

在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時，首先需要挖出一條巷道，然后再將掘進(jìn)、通風(fēng)、運輸、水電等設(shè)備構(gòu)成一個整體。其掘進(jìn)的具體流程為：施工前設(shè)備檢查→發(fā)動掘進(jìn)機(jī)→進(jìn)行截割作業(yè)→運輸作業(yè)→臨時支護(hù)作業(yè)→永久支護(hù)作業(yè)→設(shè)備檢修。在進(jìn)行運輸作業(yè)時，需要按照從皮帶運輸機(jī)→轉(zhuǎn)載機(jī)→前刮板輸送機(jī)→后刮板輸送機(jī)的流程來進(jìn)行運輸。

在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的過程中，主要的掘進(jìn)對象為煤巷，其所涉及的設(shè)備數(shù)量較為龐大，具體的作業(yè)線路設(shè)備配置為：①懸臂式掘進(jìn)機(jī)、單體錨桿鉆機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、機(jī)載除塵設(shè)備。②懸臂式掘進(jìn)機(jī)載錨桿機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、機(jī)載除塵設(shè)備。

1.3 高效掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

1.3.1 高效掘進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)和實施

從上述的內(nèi)容來看，在煤礦掘進(jìn)的整個工作流程中存在工作環(huán)節(jié)冗長等問題，因此，該煤礦開采企業(yè)在既有的設(shè)備技術(shù)上，利用膠帶與掘進(jìn)轉(zhuǎn)載膠帶進(jìn)行直接的對接，取消了中間部分的刮板輸送機(jī)等設(shè)備的安裝和拆除工作，實現(xiàn)整個工作環(huán)節(jié)的有效縮減，降低了因設(shè)備故障而導(dǎo)致掘進(jìn)工作低質(zhì)、低效等問題。除此之外，本次煤礦掘進(jìn)工作還將臨時支護(hù)和永久支護(hù)進(jìn)行緊密地結(jié)合，在每掘進(jìn)一定的距離后，利用單體柱配合鉸接梁的形式進(jìn)行支護(hù)，隨后再進(jìn)行掘進(jìn)工作，如此循環(huán)往復(fù)，能夠?qū)⒅ёo(hù)和掘進(jìn)工作實現(xiàn)有效的平衡，從而提高掘進(jìn)工作的高效和高質(zhì)性。

1.3.2 實施效果

在將優(yōu)化后的高效掘進(jìn)技術(shù)方法進(jìn)行應(yīng)用后，該煤礦掘進(jìn)工作在保障頂板完整性的前提下，掘進(jìn)工作面每進(jìn)行4.2m后，便會停止掘進(jìn)工作，同時進(jìn)行支護(hù)工作，在支護(hù)工作結(jié)束后，再次進(jìn)行掘進(jìn)工作，周而復(fù)始這種工作流程，能夠有效地有效地保障掘進(jìn)工作的高效開展。在應(yīng)用這種方式進(jìn)行掘進(jìn)工作之后，現(xiàn)場的相關(guān)人員逐漸熟練這種掘進(jìn)方式，在兩個月的時間內(nèi)，完成了300m的掘進(jìn)工作量，其中，單日最高掘進(jìn)工作量為20m，較傳統(tǒng)掘進(jìn)方式總體上升了150～220m。通過對高效掘進(jìn)技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)，極大地緩解地緩解了煤礦生產(chǎn)銜接性不強(qiáng)的問題，為煤礦開采工作奠定更扎實的基礎(chǔ)。

2 煤礦高效掘進(jìn)相關(guān)技術(shù)

2.1 掘進(jìn)機(jī)超前支護(hù)快掘技術(shù)

在通常情況下，該種技術(shù)適用于因頂板遭到破壞而需要臨時支護(hù)的煤巷掘進(jìn)工作中，在使用這項工藝前，就必須預(yù)先建設(shè)起一條可以支撐臨時支護(hù)的巷道，而這些臨時支護(hù)也可以布設(shè)于全煤層或半煤層的巷道中。另外，在實施斷面較小巷道路層的鑿井施工中，對單月的鑿井距離要求必須設(shè)計為600m以上，在挖掘作業(yè)時，對路面層也需要按照掘進(jìn)的距離要求開展銜接力較好的挖掘作業(yè)，超前的腳手架也需要對空頂進(jìn)行支撐。隨后，在錨機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)載的過程中，也必須對錨索進(jìn)行設(shè)置，在完成整個流程后，再讓掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作，并重復(fù)上述流程，進(jìn)而實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)超前支護(hù)的快速挖掘循環(huán)。

2.2 雙錨掘進(jìn)機(jī)快掘技術(shù)

這種掘進(jìn)技術(shù)與上述掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用范圍相似。在應(yīng)用該項技術(shù)前，需要修建一條臨時煤巖道路或半煤巖巷道，在進(jìn)行斷面較小的掘進(jìn)作業(yè)時，單月的掘進(jìn)目標(biāo)設(shè)置應(yīng)當(dāng)在500m及以上，在掘進(jìn)機(jī)向前掘進(jìn)1～2排后，截割臂落地，此時，需要將2臺錨桿機(jī)分別延伸至掘進(jìn)工作面的兩端，并按照對應(yīng)的位置進(jìn)行錨桿或錨索的安裝。而在轉(zhuǎn)載時，錨機(jī)會對沒有進(jìn)行安裝的錨桿或錨索進(jìn)行二次安裝。

2.3 三位一體高適應(yīng)性快掘技術(shù)

這項技術(shù)應(yīng)用在頂部、側(cè)幫相對平穩(wěn)的中小斷面煤巷中，一般情況下，對空頂?shù)目刂品秶笤?.5m以下。而這項掘進(jìn)技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)往往也能夠應(yīng)用于一次成型的全斷面挖掘工作中，而且，這項挖掘技術(shù)還具有臨時性的保護(hù)功能，一般是負(fù)責(zé)對迎頭的四支錨釘進(jìn)行安裝，以便于在轉(zhuǎn)載的過程中可以進(jìn)行連續(xù)性的打錨工作。

3 我國煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 煤礦巷道綜合開采技術(shù)的現(xiàn)狀

煤礦掘進(jìn)設(shè)備眾多，其具備截割、運輸?shù)缺姸嗟墓δ?，功能部件又包含運輸機(jī)、裝載機(jī)等。根據(jù)不同的截割方式，可以分為水平截割和垂直截割；根據(jù)不同重量，可以將前履帶分為超輕、輕、中、重等多種類型。其具備振動幅度小、靈活性高、可持續(xù)掘進(jìn)等優(yōu)勢。因此，能夠適用于多種煤礦巷道的結(jié)構(gòu)性破壞和維修中。但同時由于使用的速度較低，會出現(xiàn)掘進(jìn)速度較為緩慢的情況。

3.2 連續(xù)采煤技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

這種技術(shù)在我國的應(yīng)用起步較晚，部分煤礦開采企業(yè)通過引進(jìn)國外的掘進(jìn)設(shè)備，使得我國煤巷掘進(jìn)設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快。但就實際情況而言，我國現(xiàn)階段擁有成熟的掘進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)較少，生產(chǎn)的工藝流程仍然有很大的進(jìn)步空間，在生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量上都與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距，同時，所生產(chǎn)出的設(shè)備也存在相容性和可靠性低下等問題。

3.3 掘錨機(jī)組一體化技術(shù)

將掘進(jìn)與錨固裝置的有效融合應(yīng)用能夠提升煤巷開采的技術(shù)能力。現(xiàn)階段，我國的煤礦開采行業(yè)正處在技術(shù)研發(fā)的持續(xù)性時期，高效地掘進(jìn)技術(shù)管理系統(tǒng)和現(xiàn)場的控制仍然存在一定的差距，因此，需要深入探索掘進(jìn)與錨固裝置融合應(yīng)用的技術(shù)。

3.4 全液壓鉆車掘進(jìn)技術(shù)

在進(jìn)行斷面較大的巖巷掘進(jìn)工作中，需要事先制定一份備用的計劃，通過優(yōu)化設(shè)備的小型工作流程，來滿足設(shè)備的可操作性。在應(yīng)用該項技術(shù)開展掘進(jìn)工作時，巖石的裝載和鉆孔效率較高，針對大型的巖石破碎，僅僅需要1h便能完成，并且能夠?qū)崿F(xiàn)同時鉆孔70個，與傳統(tǒng)的設(shè)備相比，其工作的效率為傳統(tǒng)設(shè)備的兩倍。并且，其具備工作強(qiáng)度低、有效提升爆破質(zhì)量等優(yōu)勢。

4 煤礦巷道高效掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 大斷面巷道掘進(jìn)技術(shù)

隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的掘進(jìn)設(shè)備也在不斷豐富，同時，也對路段提出了更高的要求。因此，煤礦開采企業(yè)需要加大對大斷面巷道掘進(jìn)技術(shù)的研發(fā)力度。斷面的擴(kuò)大不僅對巷道掘進(jìn)技術(shù)的要求更高，同時，也對相應(yīng)的掘進(jìn)設(shè)備要求不斷提升。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對大斷面巷道的安全、高效地掘進(jìn)，需要重視對相應(yīng)設(shè)備的研發(fā)和維修工作，這樣才能不斷地優(yōu)化掘進(jìn)技術(shù)，保障掘進(jìn)工作的質(zhì)量和效率?，F(xiàn)階段，大斷面的掘進(jìn)工作主要集中在巷道中，同時，利用連續(xù)采煤機(jī)，根據(jù)掘進(jìn)的位置選取合適的掘進(jìn)設(shè)備。

4.2 掘錨一體化技術(shù)

該項技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠提升煤巷掘進(jìn)的有效性，但就實際情況而言，部分地掘錨一體化技術(shù)并不能有效地應(yīng)用在煤礦行業(yè)中，同時，也需要對該項技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。該項技術(shù)在頂板遭到破壞的巷道中應(yīng)用效果最明顯，其能夠幫助相關(guān)人員更好地完成頂板的安裝。若能夠?qū)υ擁椉夹g(shù)進(jìn)行更好的應(yīng)用，就能夠大幅提升掘進(jìn)工作的效率。因此，目前，我國應(yīng)當(dāng)側(cè)重于對該項技術(shù)的研發(fā)，同時，也需要重視對配套設(shè)備的研發(fā)工作，進(jìn)而實現(xiàn)提升化煤礦掘進(jìn)工作的自動化水平，強(qiáng)化掘進(jìn)工作的質(zhì)量和效率。

4.3 煤巖混合巷道掘進(jìn)技術(shù)

由于煤巷之間的特性具有較大的差異性，因此，研發(fā)出使用混合煤巷的掘進(jìn)技術(shù)尤為重要。在大部分情況下，煤巷都會與巖石發(fā)生碰撞，需要對巖石進(jìn)行處理，才能順利開展掘進(jìn)進(jìn)行。目前，掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展使得煤巖混合巷道掘進(jìn)技術(shù)逐步向自動化和智能化的方向發(fā)展，進(jìn)而降低了因混合地質(zhì)等情況而造成的不確定性。此外，這項技術(shù)能夠有效地提升連續(xù)掘進(jìn)的效率，在將其應(yīng)用在不同的煤巷中，掘進(jìn)機(jī)與其他設(shè)備的聯(lián)系更為緊密，如運輸、轉(zhuǎn)載、通風(fēng)等設(shè)備。在煤炭的開采過程中，支護(hù)的應(yīng)用能夠保障煤巷道的安全性和穩(wěn)定性，降低對巷道的不利影響，因此，也需要提高巷道的支護(hù)能力。

4.4 連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

在社會和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，眾多自動化和智能化掘進(jìn)設(shè)備被廣泛地應(yīng)用在煤礦開發(fā)中，如連續(xù)掘進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦開采工作的自動化，而連續(xù)掘進(jìn)機(jī)適用于多條煤巷的同時掘進(jìn)工作，并將其實現(xiàn)系統(tǒng)化的管理和發(fā)展，該項技術(shù)歷經(jīng)了從一臺設(shè)備到整套設(shè)備的變化過程，在長時間的連續(xù)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用過程中，保障了掘進(jìn)工作的有效性和質(zhì)量。

4.5 高效掘進(jìn)配套技術(shù)的發(fā)展

在現(xiàn)代化社會的發(fā)展下，我國的科技水平得到了有效的提升，煤礦企業(yè)也逐步實現(xiàn)了配套掘進(jìn)技術(shù)的功能探索和研發(fā)，并在實際的應(yīng)用中提高了掘進(jìn)的效率和質(zhì)量。例如，為了確保相關(guān)掘進(jìn)人員的安全，可以研發(fā)出保護(hù)人員呼吸系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)備，對現(xiàn)場的施工環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，確保人員身體的健康，提高對人員的保護(hù)能力，進(jìn)而實現(xiàn)提升煤礦掘進(jìn)工作效率和質(zhì)量的目的。

5 結(jié)語

煤礦掘進(jìn)技術(shù)的高效性是保障煤礦產(chǎn)能的重要手段，同時，也是煤礦開采企業(yè)的重點探索方向。在煤巷的掘進(jìn)過程中，根據(jù)掘進(jìn)的地質(zhì)，可以將其分為巖石巷道和煤礦巷道的掘進(jìn)。在進(jìn)行煤礦巷道的掘進(jìn)過程中，需要利用采煤機(jī)實現(xiàn)掘進(jìn)速度的最大化。在對煤礦巷道掘進(jìn)工作的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦資源的開采工作，能夠極大地提升煤礦開采的效率。而由于巖石的硬度較高，在對其進(jìn)行破碎時的難度較大，因此，需要借助相應(yīng)的巷道掘進(jìn)技術(shù)，如大斷面巷道掘進(jìn)技術(shù)、掘錨一體化技術(shù)等，來提升煤礦高效掘進(jìn)技術(shù)的水平。