孫永強(qiáng)

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

關(guān)鍵詞：煤礦；巷道掘進(jìn)技術(shù)；裝備

中圖分類號(hào)：TD42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(guó)重要的能源之一，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。我國(guó)煤礦開采強(qiáng)度較大，巷道掘進(jìn)量極大，給巷道支護(hù)質(zhì)量和掘進(jìn)速度提出了嚴(yán)格要求。巷道掘進(jìn)速度直接關(guān)系到煤礦開采的效率、產(chǎn)量和安全性[1]。當(dāng)前許多煤礦巷道采掘比例失調(diào)，增加了掘進(jìn)回采難度，為解決此問題，許多新裝備、新技術(shù)和新工藝不斷產(chǎn)生，自動(dòng)化、機(jī)械化的巷道掘進(jìn)技術(shù)被大量應(yīng)用，形成運(yùn)、支和掘進(jìn)的一體化及智能等是巷道掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展的未來趨勢(shì)。這也是降低煤礦開采成本和高效安全生產(chǎn)的重要途徑。

1 巷道掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀分析

錨桿支護(hù)及快速掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)著煤礦巷道開采從爆破、人工掘進(jìn)向機(jī)械化的方向發(fā)展。當(dāng)前的機(jī)械掘進(jìn)主要有三種類型：?jiǎn)误w錨桿鉆機(jī)與懸臂式掘進(jìn)機(jī)配套作業(yè)；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機(jī)配套作業(yè)；掘錨一體化作業(yè)。其中，單體錨桿鉆機(jī)和懸臂式掘進(jìn)配套作業(yè)應(yīng)用最廣，具有較好的適應(yīng)性，不足是掘進(jìn)速度慢[2]；錨桿鉆車與連續(xù)采煤機(jī)配套作業(yè)為換位交叉，受地質(zhì)條件限制，不易廣泛推廣使用。掘錨機(jī)組一體化作業(yè)為同步作業(yè)，掘進(jìn)效率較高，但也受地質(zhì)條件限制，不易廣泛推廣。連續(xù)采煤機(jī)主要有工作面回采和巷道掘進(jìn)兩種功能[3]。隨著巷道設(shè)計(jì)理念及掘進(jìn)量的不斷更新及增加，巷道掘進(jìn)中連續(xù)采煤機(jī)的應(yīng)用不斷拓展。如連續(xù)運(yùn)輸及間斷式運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)方式，在此作業(yè)方式中所用的設(shè)備主要有錨桿鉆車、連續(xù)采煤機(jī)、可伸縮式輸送機(jī)和連續(xù)輸送系統(tǒng)等；而間斷運(yùn)輸施工所用設(shè)備主要是帶式可伸縮輸送機(jī)、給料破碎機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、錨桿鉆車和運(yùn)煤車等。連續(xù)采煤機(jī)可完成裝煤、落煤等環(huán)節(jié)，運(yùn)輸系統(tǒng)和運(yùn)煤車作業(yè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)煤工序，錨桿鉆車完成巷道支護(hù)，破碎轉(zhuǎn)載由破碎機(jī)完成，且通過局部通風(fēng)機(jī)和負(fù)壓通風(fēng)聯(lián)合通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)。由此可見，連續(xù)采煤配套設(shè)備可用于多巷或雙巷掘進(jìn)，可靈活調(diào)整掘進(jìn)高度，能夠?qū)崿F(xiàn)支護(hù)、掘進(jìn)平行作業(yè)，掘進(jìn)尺度大且斷面成形狀況好，施工相對(duì)靈活，設(shè)備配套形式多樣。但其不足是截割頭不可擺動(dòng)，斷面均是矩形斷面，不易管理現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)地質(zhì)條件要求較高，掘進(jìn)效率不高且難以確保循環(huán)控頂距。

目前，我國(guó)巷道掘進(jìn)多為掘錨分步施工，相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，單個(gè)循環(huán)支護(hù)時(shí)間為其總時(shí)間的60%，截割時(shí)間約占20%至30%，其余為系統(tǒng)故障影響時(shí)間。巷道掘進(jìn)成巷效率主要由支護(hù)作業(yè)時(shí)間決定。同時(shí)，如果掘進(jìn)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(jìn)速度的重要因素。在巷道快速掘進(jìn)研究中，國(guó)內(nèi)外常以提升施工的機(jī)械化程度和錨桿支護(hù)效率為主。為確保掘進(jìn)速度的高效快速與快速發(fā)展的錨桿支護(hù)技術(shù)相適應(yīng)，許多產(chǎn)煤國(guó)對(duì)其不斷的研究和探索，將錨桿鉆機(jī)和掘進(jìn)機(jī)相融合，利用將錨桿鉆機(jī)安裝在掘進(jìn)機(jī)上，以一臺(tái)設(shè)備同時(shí)完成掘進(jìn)中的錨桿打眼、裝煤、安裝及落煤等功能。研制了掘進(jìn)、掘錨機(jī)組和支護(hù)的一體機(jī)。

掘錨一體機(jī)是掘進(jìn)機(jī)和錨桿支護(hù)的集合設(shè)計(jì)，但從生產(chǎn)實(shí)踐來看，該一體機(jī)的應(yīng)用效果不太理想，僅能在特定地質(zhì)條件下獲得應(yīng)用，多數(shù)情況下其掘進(jìn)率仍很低，不能滿足時(shí)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(duì)提升巷道掘進(jìn)效率也產(chǎn)生了一定的影響。

2 巷道掘進(jìn)技術(shù)及設(shè)備中存在的問題

懸臂式掘進(jìn)與錨桿鉆機(jī)配套的掘進(jìn)工藝是當(dāng)前我國(guó)煤礦開采常用的工藝，但這并非是實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)的機(jī)械化，只是在運(yùn)煤和截割方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，在供水、支護(hù)、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(nèi)有限交替作業(yè)，對(duì)安全施工及施工效率都有嚴(yán)重影響。我國(guó)掘進(jìn)技術(shù)同裝備也獲得了極大發(fā)展，但其自動(dòng)化程度和機(jī)械化程度仍較低，智能化技術(shù)應(yīng)用較少。

機(jī)械化程度不高和缺乏系統(tǒng)性是當(dāng)前我國(guó)懸臂式掘進(jìn)作業(yè)中存在的問題之一。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、錨桿鉆機(jī)和懸臂掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)等配套作業(yè)是我國(guó)常用的掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)，在此作業(yè)中，各工序不夠集中，需要準(zhǔn)備的時(shí)間較長(zhǎng)，許多工序仍是以人工來操作，缺乏機(jī)械性和系統(tǒng)性，這種作業(yè)環(huán)境并非真正意義上的機(jī)械化掘進(jìn)。同時(shí)，在安全及成本等因素的影響下，巷道空間通常狹小，當(dāng)前的掘進(jìn)技術(shù)需在截割后實(shí)施交替支護(hù)作業(yè)，支護(hù)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(yán)重影響。盡管近年來我國(guó)對(duì)懸臂式掘進(jìn)實(shí)施了離機(jī)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(dòng)定位導(dǎo)航等核心技術(shù)，巷道掘進(jìn)裝備的自動(dòng)化程度仍然不高。

作為系統(tǒng)性工程的巷道掘進(jìn)由截割工序開始到完工，材料運(yùn)輸、截割、定向測(cè)量、供水、除塵、通風(fēng)及供電、巷道支護(hù)等環(huán)節(jié)需要整合并輔以智能化、自動(dòng)化技術(shù)，以形成均衡聯(lián)系、互相配合的高效率生產(chǎn)系統(tǒng)，方能有效地提高煤礦開采掘進(jìn)的效率及經(jīng)濟(jì)效益。

3 掘進(jìn)技術(shù)及設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

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

掘錨機(jī)高速掘進(jìn)系統(tǒng)裝備?？焖倬蜻M(jìn)系統(tǒng)裝備主要是掘錨機(jī)，常用于圍巖穩(wěn)定性強(qiáng)且地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的近水平矩形煤層巷道。裝備系統(tǒng)構(gòu)成為跨騎式錨桿鉆車、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)（履帶式）、掘錨機(jī)、自移動(dòng)邁步機(jī)尾、可彎曲轉(zhuǎn)載機(jī)（帶式）、自動(dòng)除塵及移動(dòng)式力站等系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)主要在完成掘錨機(jī)割煤后利用破碎裝載機(jī)（履帶式）轉(zhuǎn)運(yùn)物料，而后有彎曲轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)至帶式裝載機(jī)。與此同時(shí)，錨桿轉(zhuǎn)載車（跨騎式）也完成巷道支護(hù)，該鉆車下部中空，安裝在可彎曲轉(zhuǎn)載機(jī)上端，可平行、掘錨分離作業(yè)。

懸臂式快速掘進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的地質(zhì)適應(yīng)條件較廣，掘進(jìn)斷面無限制。綜掘式快速掘進(jìn)裝備由帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、懸臂式掘進(jìn)、自移機(jī)尾、除塵系統(tǒng)、動(dòng)力在等構(gòu)成。懸臂式掘進(jìn)機(jī)完成割煤并將物料運(yùn)至云錨機(jī)，由轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾運(yùn)送到后配套轉(zhuǎn)載機(jī)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)由多臂錨桿和機(jī)載單臂錨桿支護(hù)，自帶鉆臂系統(tǒng)完成錨索和滯后錨桿支護(hù)，以完成掘錨平行施工。

超前支護(hù)+懸臂式掘進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不受地質(zhì)條件限制，適用于拱形斷面、矩形巷道掘進(jìn)。系統(tǒng)構(gòu)成為：懸臂式掘進(jìn)、自移機(jī)尾、臨時(shí)支護(hù)支架、動(dòng)力站、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、除塵系統(tǒng)及云錨機(jī)等。施工流程為完成割煤后，超前臨時(shí)支架及時(shí)支護(hù)頂板，對(duì)物料進(jìn)行截割后通過裝運(yùn)系統(tǒng)送至云錨機(jī)，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾輸送至帶式轉(zhuǎn)載機(jī)。超前鉆探機(jī)能夠用于迎頭地質(zhì)異常體的探測(cè)，截割時(shí)自帶鉆臂系統(tǒng)能夠完成錨索和錨桿支護(hù)，以完成平行掘錨作業(yè)。

此外，智能化技術(shù)的應(yīng)用也是掘進(jìn)技術(shù)的未來方向，是提高掘進(jìn)效率的重要技術(shù)支持?？焖倬蜻M(jìn)系統(tǒng)中，其巷道掘進(jìn)能力及效率均與其機(jī)械化程度相關(guān)，如果在掘進(jìn)系統(tǒng)及設(shè)備中有效應(yīng)用智能化技術(shù)，可以大大提高配套設(shè)備的機(jī)械化程度。智能化設(shè)備能夠依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)狀況對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，還可對(duì)工作方式進(jìn)行自主規(guī)劃。智能化技術(shù)在快速掘進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在自動(dòng)導(dǎo)航、位姿、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程通訊、配套設(shè)備等模塊上。采掘技術(shù)的智能化使煤礦開采裝備走向精細(xì)化，能夠有效地提高掘進(jìn)效率，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性和高效性，且降低了人力成本。當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)智能化技術(shù)進(jìn)行了大量研究，我國(guó)一些研究單位及高校也對(duì)其進(jìn)行了探索研究，如對(duì)規(guī)劃截割軌跡及自適應(yīng)截割等方面，利用遺傳算法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新算法研究，為提高掘進(jìn)技術(shù)工程指引了方向。但我國(guó)掘進(jìn)技術(shù)的智能化研究剛剛起步，現(xiàn)有的智能化技術(shù)的應(yīng)用不夠成熟并缺乏可靠性。

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)、煤巖識(shí)別和診斷故障、通訊技術(shù)等方面是國(guó)外研究的重點(diǎn)，其將紅外攝像同截割機(jī)械振動(dòng)特征等相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)分析識(shí)別煤巖邊界，井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析均獲得了正確結(jié)果，且采用可靠無線傳感器、機(jī)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)其振動(dòng)、溫度和油液泄露等問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)故障整段的可視化，對(duì)于認(rèn)可形式的控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，都能通過高寬帶網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。有研究將激光掃描技術(shù)應(yīng)用在煤巖分界識(shí)別技術(shù)中，試驗(yàn)顯示激光掃描模式為二進(jìn)制，此處理方式明顯優(yōu)于紅外攝像機(jī)的處理繁瑣，且簡(jiǎn)單而快速。采集截割臂運(yùn)動(dòng)、工作視頻及截割參數(shù)等參數(shù)并上傳到機(jī)載處理器中，與地質(zhì)信息和自動(dòng)截割控制軟件等相結(jié)合，完成掘進(jìn)機(jī)路徑計(jì)劃算法，對(duì)各個(gè)截割參數(shù)及軌跡進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了其自適應(yīng)截割。

總之，當(dāng)前我國(guó)煤礦掘進(jìn)技術(shù)所用的設(shè)備均是高自動(dòng)化、大功率的裝備，提高了工作面的單產(chǎn)，掘進(jìn)速度得到一定提高。但掘進(jìn)技術(shù)中仍存在機(jī)械化、自動(dòng)化程度低及系統(tǒng)性不強(qiáng)，缺乏智能化技術(shù)的應(yīng)用等問題。這給掘進(jìn)配套設(shè)備提出了較高的要求?？梢?，提高綜掘技術(shù)、智能化和設(shè)備性能等是實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的重要保障，也是確保煤礦安全高效生產(chǎn)的重要渠道。

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