李 沛

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046031)

隨著國(guó)內(nèi)煤炭易采儲(chǔ)量的減少和開拓巷道數(shù)量的增加[1],煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移,掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)掘進(jìn)設(shè)備和臨時(shí)支護(hù)技術(shù)發(fā)展緩慢,工作面安全事故時(shí)有發(fā)生,其中煤礦安全事故中冒頂事故居第一位[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)能源的需求更大,尤其是對(duì)煤炭的需求,綜掘滿足不了綜采的現(xiàn)象日益明顯,采掘比失衡已成為制約煤礦高效生產(chǎn)的主要因素[3]。掘進(jìn)工作面臨時(shí)支護(hù)技術(shù)不僅影響煤礦巷道掘進(jìn)工作面安全生產(chǎn),也制約著巷道掘進(jìn)速度[4-7]。近年來,在煤巷臨時(shí)支護(hù)方面開展了諸多研究,研制出多種性能優(yōu)越的臨時(shí)支護(hù)裝備,為煤巷實(shí)現(xiàn)快速、高效、安全、智能化轉(zhuǎn)型建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外煤巷臨時(shí)支護(hù)技術(shù)與裝備現(xiàn)狀

煤巷臨時(shí)支護(hù)是維護(hù)掘進(jìn)工作面與永久支護(hù)之間的作業(yè)空間,避免空頂時(shí)間長(zhǎng)引起頂板沉降和變形均采用臨時(shí)支護(hù)[8]。國(guó)外煤礦開采煤層賦存條件相對(duì)于國(guó)內(nèi)良好,其巷道斷面大,頂板穩(wěn)定,便于采用配套頂板的掘進(jìn)機(jī)等先進(jìn)裝備,多側(cè)重于截割、支護(hù)平行施工方式的聯(lián)合作業(yè)機(jī)組,實(shí)行一次性永久支護(hù),基本不需要實(shí)施臨時(shí)支護(hù),掘進(jìn)效率高[9]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,受到斷層和褶皺等構(gòu)造帶影響,巷道圍巖整體性和穩(wěn)定性較差,頂板和圍巖較破碎;進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí),合理選擇相適應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)技術(shù)以及裝備,有效控制頂板的離層和冒落,兩幫片幫,從而為掘進(jìn)工作提供安全保障。目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦井研制和應(yīng)用的臨時(shí)支護(hù)形式有前探梁臨時(shí)支護(hù)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝備和掘錨機(jī)一體化的臨時(shí)護(hù)頂裝置。

1.1 前探梁臨時(shí)支護(hù)

前探梁臨時(shí)支護(hù)以巷道原有支護(hù)為支撐,采用槽鋼、道軌或鋼管通過吊環(huán)或錨鏈吊掛,與原有支護(hù)聯(lián)成固定懸臂,利用懸臂的支撐能力臨時(shí)托住空頂,在頂板發(fā)生離層、垮落時(shí)起到支撐和緩沖作用,防止頂板破碎煤巖體掉落,保護(hù)作業(yè)人員安全。在煤巷實(shí)際應(yīng)用中,前探梁常與其他裝置組合使用,提高臨時(shí)支護(hù)綜合效果,前探梁臨時(shí)支護(hù)裝置如圖1所示。

圖1 前探梁臨時(shí)支護(hù)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of forepoling beam temporary support

主要由前探梁和吊掛探梁的吊環(huán)組成,適用于錨桿(網(wǎng))支護(hù)的煤巷、半煤巖巷且錨桿外露部分有螺紋的各種直徑的錨桿。

前探梁臨時(shí)支護(hù)不受巷道斷面限制,多用于架棚巷道,也用于煤巷掘進(jìn)錨網(wǎng)支護(hù)的巷道,屬于被動(dòng)支護(hù),無初撐力不能主動(dòng)支撐,護(hù)頂面積小、臨時(shí)支護(hù)速度慢、支護(hù)效果差,但成本低,使用方法簡(jiǎn)單。

1.2 點(diǎn)柱式臨時(shí)支護(hù)

點(diǎn)柱式采用支設(shè)帶帽單體液壓支柱托網(wǎng)片對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。該支護(hù)形式最早從木支柱的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,是利用液體壓力產(chǎn)生的工作阻力來對(duì)巷道空頂區(qū)頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)的一種可縮性支柱。點(diǎn)柱式臨時(shí)支護(hù)裝置如圖2所示。

圖2 點(diǎn)柱式臨時(shí)支護(hù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of point-pillar temporary support

單體液壓支柱在遇有地質(zhì)構(gòu)造、頂板起伏不平,具有施工作業(yè)簡(jiǎn)單靈活、高效,能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件,相比前探梁臨時(shí)支護(hù)安全性較高,護(hù)頂效果較好;但作業(yè)過程工序繁瑣復(fù)雜,需要抬柱、升柱、回柱、移柱多個(gè)工序,勞動(dòng)強(qiáng)度大,掘進(jìn)速度緩慢。

不管是前探梁臨時(shí)支護(hù)還是點(diǎn)柱式臨時(shí)支護(hù),支護(hù)過程一次成巷距離較短,造成掘進(jìn)、支護(hù)工序作業(yè)交替頻繁,不利掘進(jìn)工序系統(tǒng)化,導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率低。對(duì)此李杰[10]研制了一種主要由“前探梁+護(hù)頂橫梁+輕型單體柱”組合梁式進(jìn)行配套組合使用的臨時(shí)支護(hù)裝置,裝置如圖3所示。

圖3 組合梁式臨時(shí)支護(hù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of composite beam temporary support

該裝置利用玻璃鋼單體支柱支撐護(hù)頂橫梁與掘巷空頂區(qū)域相接觸并進(jìn)行橫向強(qiáng)力控頂,同時(shí)將前探梁前移穿過前探梁延伸凹槽,并轉(zhuǎn)動(dòng)伸梁裝置將前探梁觸頂,進(jìn)行縱向輔助控頂,使前探梁與護(hù)頂橫梁形成“組合梁式”控頂結(jié)構(gòu),以“面域”的形式對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行支護(hù)。該裝置的使用能夠有效彌補(bǔ)原支護(hù)方式不能對(duì)空頂區(qū)頂板施加主動(dòng)支撐力的不足,其次該裝置使用便捷,不占用掘進(jìn)迎頭施工空間;更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)連續(xù)掘進(jìn),增大一次成巷距離,解決掘進(jìn)、支護(hù)工序頻繁交替作業(yè),提高巷道掘進(jìn)速度。

1.3 主動(dòng)支撐式臨時(shí)支護(hù)

主動(dòng)支撐式支架臨時(shí)支護(hù)技術(shù)即采用專門臨時(shí)支架對(duì)空頂區(qū)頂板進(jìn)行主動(dòng)支撐,保證巷道圍巖穩(wěn)定。此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、移動(dòng)便捷等優(yōu)勢(shì),但其對(duì)巷道工況適應(yīng)能力較差,且在支架移動(dòng)過程中會(huì)對(duì)頂板造成頻繁擾動(dòng),裝置如圖4所示。

圖4 主動(dòng)支撐式支架臨時(shí)支護(hù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support with active support bracket

該支護(hù)方式利用機(jī)組截割頭作為支撐點(diǎn),將截割頭升起自制托梁器(上面鋪設(shè)網(wǎng)片)頂住支撐頂板。機(jī)組割煤后退到永久支護(hù)下,截割頭落地后閉鎖掘進(jìn)機(jī),作業(yè)人員先將托梁器放在截割頭上,再將托梁、網(wǎng)片放在托梁器上并固定好,開進(jìn)機(jī)組,將截割臂升起接頂,閉鎖機(jī)組開始永久支護(hù)。

掘進(jìn)隊(duì)組在相應(yīng)配套機(jī)載臨時(shí)支護(hù)無法實(shí)現(xiàn)時(shí),可使用如機(jī)載托梁器等臨時(shí)支護(hù)裝置,并制定相應(yīng)安全技術(shù)措施對(duì)頂板進(jìn)行有效控制,確保頂板安全。托梁器為自制,強(qiáng)度低、支護(hù)面積小、人工操作程序繁瑣、輔助時(shí)間長(zhǎng)、安全性能差,目前已被機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)替換。

上述托梁器,主動(dòng)支撐強(qiáng)度低,適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件差,支護(hù)面積小等問題,韓軍研制了一種高初撐主動(dòng)護(hù)頂臨時(shí)支護(hù)裝置,裝置如圖5所示[8]。

圖5 高初撐主動(dòng)護(hù)頂臨時(shí)支護(hù)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of temporary support with high initial support and active roof support technology

裝置包括前探支護(hù)梁、支護(hù)穩(wěn)固器、千斤頂、十字固定架,兩端帶聯(lián)接插孔的前探支護(hù)梁,可前后相互鉸接,以沿巷道頂板分段向前延伸。在用千斤頂裝置可快速頂起后鉸接的前探支護(hù)梁來支護(hù)頂板。在前探支護(hù)梁中間的過錨桿托盤孔處對(duì)頂板施打錨桿,使用支護(hù)梁穩(wěn)固器聯(lián)接已安裝的頂板錨桿,并擰緊,使穩(wěn)固器固定在前探支護(hù)梁下表面,從而使前探支護(hù)梁緊貼頂板。支護(hù)裝置循環(huán)拆裝,分段延伸以適應(yīng)巷道頂板復(fù)雜的形狀與走勢(shì),且與巷道頂板緊密貼合。通過側(cè)向千斤頂提供頂板滿足強(qiáng)度要求的主動(dòng)支護(hù)力,實(shí)現(xiàn)高初撐力主動(dòng)臨時(shí)支護(hù)。

1.4 機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)

機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)在掘進(jìn)機(jī)上加裝臨時(shí)支護(hù)裝備,利用掘進(jìn)機(jī)原有液壓系統(tǒng),通過協(xié)調(diào)操作液壓控制閥手柄,使組裝好的臨時(shí)支護(hù)架先將主架、頂梁架打開,再升高主架,對(duì)空頂區(qū)頂板產(chǎn)生支撐作用。機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合,支護(hù)面積大,初撐力和工作阻力較大,能減少頂板變形和離層,明顯縮短臨時(shí)支護(hù)時(shí)間,提高掘進(jìn)效率和人員安全保障,裝置如圖6所示。

圖6 ZLJ-16 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of ZLJ-16 on-vehicle temporary support

ZLJ-16機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置,在巷道開挖后配合EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)使用。該機(jī)器用來對(duì)掘進(jìn)工作面新揭露的空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù),當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)循環(huán)完成后,將該機(jī)器打開,可以迅速在掘進(jìn)機(jī)切割頭前方形成一個(gè)3.2 m×1.65 m的支護(hù)面積,為下一步在該區(qū)域進(jìn)行支護(hù)作業(yè)的人員提供一個(gè)安全可靠的工作空間[11]。機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置的技術(shù)特點(diǎn)是支護(hù)面積大、初撐力和工作阻力大,可在低頂板巷道的工況下,順利翻轉(zhuǎn)打開和收攏。其結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、操縱平穩(wěn)、展開迅速,利用掘進(jìn)機(jī)的泵站做動(dòng)力,全液壓控制,有利于對(duì)機(jī)器實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。可明顯縮短臨時(shí)支護(hù)時(shí)間,降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高掘進(jìn)效率。

機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝備與掘進(jìn)裝備不能實(shí)現(xiàn)同步平行作業(yè),導(dǎo)致掘進(jìn)及支護(hù)效率較低;初撐力和支護(hù)面積相對(duì)較小,不能實(shí)現(xiàn)全斷面支護(hù);“護(hù)頂必護(hù)幫”,多數(shù)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝備僅能對(duì)空頂區(qū)頂板進(jìn)行支護(hù),未設(shè)計(jì)幫部臨時(shí)支護(hù),較易出現(xiàn)片幫、塌落等現(xiàn)象;整體性能有待提升,對(duì)于頂板條件較差的煤巷,起不到理想的支護(hù)效果;裝備在向前移動(dòng)的過程中,會(huì)對(duì)頂板進(jìn)行反復(fù)支撐,容易造成頂板破碎,破壞頂板的完整性。當(dāng)巷道頂板坑洼不平或巷道拐彎時(shí),機(jī)載臨時(shí)支護(hù)無法接頂,不能使用。

1.5 自移式臨時(shí)支護(hù)

現(xiàn)有的研究主要集中在機(jī)載臨時(shí)支護(hù)和礦-隧-錨一體化一體機(jī)等集成設(shè)備上。由于它們與其他設(shè)備集成,支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件和頂板高低不平的工況條件,基于此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者自20世紀(jì)80年代便開始了自移式臨時(shí)支護(hù)裝備研究。

自移式臨時(shí)支護(hù)與上述的臨時(shí)支護(hù)不同,它與掘進(jìn)機(jī)沒有任何機(jī)械聯(lián)接,替代原有吊桿臨時(shí)支護(hù)而獨(dú)立的安裝在掘進(jìn)面端頭。隨著掘進(jìn)機(jī)向前割煤及時(shí)支護(hù)割煤新暴露出的頂板,并實(shí)現(xiàn)自行前移。工人在掘進(jìn)機(jī)后面、臨時(shí)支架之下進(jìn)行割煤操作,并在臨時(shí)支架的掩護(hù)下完成安裝錨桿等永久支護(hù)作業(yè),裝置如圖7所示。

1.主梁;2.側(cè)護(hù)板;3.側(cè)護(hù)板插孔;4.列;5.基地;6.移動(dòng)千斤頂;7.四桿聯(lián)動(dòng)圖7 STMS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of STMS structure

丁淑慧[12]研制了一種新型自移式臨時(shí)支護(hù)裝備STMS,設(shè)備主要包括主梁、立柱、底座、側(cè)護(hù)板、四桿機(jī)構(gòu)、推千斤頂、側(cè)護(hù)板千斤頂?shù)葯C(jī)構(gòu)。該設(shè)備采用兩組支撐架的形式,相互支撐并交替向前移動(dòng)。在設(shè)備主梁和底座之間安裝了四連桿機(jī)構(gòu),以防止設(shè)備傾倒。

設(shè)備在煤礦巷道掘進(jìn)工作面的協(xié)同工作,提高巷道掘進(jìn)效率,解決了巷道掘進(jìn)工作面復(fù)雜地質(zhì)條件下的高效臨時(shí)支護(hù)問題。支架緊隨綜掘面的推進(jìn)而前移,機(jī)械化程度較高,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率。

問永忠[13]研究采用的ZJL2×1040/38/52型大斷面掘進(jìn)工作面交錯(cuò)邁步自移式臨時(shí)支護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)割煤-臨時(shí)支護(hù)-永久支護(hù)的有效銜接過渡,能有效地解決綜掘面的空頂作業(yè)難題,實(shí)現(xiàn)一次連續(xù)割煤2～5個(gè)截深再進(jìn)行永久支護(hù)作業(yè),在一定區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)割煤與連續(xù)永久支護(hù)的較大循環(huán)步距,可以有效解決綜掘面安全作業(yè)問題,加強(qiáng)了掘進(jìn)工作面頂板控制狀況,能有效防止頂板事故的發(fā)生,提高了綜掘面的安全生產(chǎn)技術(shù)水平,也提高了掘進(jìn)效率,裝置如圖8所示。

圖8 交錯(cuò)邁步自移式臨時(shí)支護(hù)裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of staggered self-moving temporary support

2 煤巷臨時(shí)支護(hù)存在問題

這幾種臨時(shí)支護(hù)方式雖然一定程度上減輕了掘進(jìn)工作面迎頭支護(hù)的壓力,改善了工作面支護(hù)狀況;但是隨著綜掘技術(shù)與配套裝備的快速發(fā)展,綜采工作面生產(chǎn)能力的提高,以手工作業(yè)方式為主的臨時(shí)支護(hù)技術(shù)與裝備,無法實(shí)現(xiàn)掘-支-錨平行作業(yè)以及快速掘進(jìn)。目前煤巷臨時(shí)支護(hù)存在問題主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 掘進(jìn)-支護(hù)不平衡

綜掘巷道快速掘進(jìn)涉及“掘進(jìn)-支護(hù)-掛網(wǎng)-鉆孔-錨固-運(yùn)輸”等工藝環(huán)節(jié),當(dāng)前巷道掘進(jìn)施工模式主要依賴工人進(jìn)行串行作業(yè),施工存在速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、支護(hù)強(qiáng)度低、安全性能差,容易產(chǎn)生設(shè)備互擾與干涉,使得支護(hù)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于掘進(jìn)效率。

在臨時(shí)支護(hù)方面,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦井使用的臨時(shí)支護(hù)裝備,形式以被動(dòng)支護(hù)為主,無初撐力不能主動(dòng)支撐、護(hù)頂面積小,用到液壓支柱時(shí),作業(yè)工序繁瑣復(fù)雜,勞動(dòng)強(qiáng)度大,掘進(jìn)速度緩慢,自動(dòng)化、智能化水平較低,支護(hù)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致掘-支不平衡。

相比掘進(jìn)方面,隨著高效機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備的發(fā)展,以綜合機(jī)械化掘進(jìn),主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī);連續(xù)采煤機(jī)與錨桿鉆車配套作業(yè)線,主要掘進(jìn)機(jī)械為連續(xù)采煤機(jī),掘錨一體化掘進(jìn)。主要掘進(jìn)機(jī)械為掘錨機(jī)組為代表的機(jī)械化掘進(jìn)方式,減少掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備的換位作業(yè)時(shí)間及頂板及時(shí)支護(hù),掘進(jìn)速度增幅遠(yuǎn)大于支護(hù)速度,使掘-支不平衡的矛盾越發(fā)突出。

2.2 缺乏系統(tǒng)性和全面性設(shè)計(jì)

雖然我國(guó)大部分綜采設(shè)備在智能化工作面上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,但智能化綜采設(shè)備仍存在可靠性差、感知精度低、協(xié)調(diào)性差等問題。現(xiàn)有的臨時(shí)支護(hù)裝備大多數(shù)都加裝在懸臂式掘進(jìn)機(jī)上,設(shè)計(jì)之初并未考慮臨時(shí)支護(hù)問題,受到煤礦復(fù)雜地下環(huán)境的限制,多種功能仍然無法實(shí)現(xiàn),缺乏系統(tǒng)性和全面性設(shè)計(jì)。

自移式臨時(shí)支護(hù)裝備在“移架”過程中,對(duì)頂板進(jìn)行反復(fù)支撐,容易破壞頂板的完整性;移動(dòng)速度較慢,遇到復(fù)雜地質(zhì)條件,仍需要人工抬架,穩(wěn)定性較差。大多數(shù)臨時(shí)支護(hù)裝備僅考慮頂板支護(hù),缺乏對(duì)幫部支護(hù),導(dǎo)致支護(hù)過程發(fā)生巷道片幫事件。巷道幫部和頂、底板是一個(gè)整體,臨時(shí)支架對(duì)圍巖的作用應(yīng)以“護(hù)”為主、以“支”為輔,盡量保證圍巖的完整性,支護(hù)強(qiáng)度不宜過高,提高巷道整體穩(wěn)定性。

現(xiàn)如今對(duì)于煤巷掘-支-錨-運(yùn)平行作業(yè)還沒有系統(tǒng)性研究,掘進(jìn)設(shè)備和臨時(shí)支護(hù)裝備沒有全面性設(shè)計(jì),掘進(jìn)面工作線上各設(shè)備獨(dú)立,缺乏信息感知、溝通互通功能,實(shí)時(shí)協(xié)同能力弱,人機(jī)交互差,在基礎(chǔ)技術(shù)和理論上未形成系統(tǒng)化。上述問題都是目前亟待解決的工程實(shí)際問題,需要進(jìn)行深入的理論分析與相關(guān)研究。

3 煤巷臨時(shí)支護(hù)未來發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、應(yīng)急管理部等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》,將重點(diǎn)突破智能快速掘進(jìn),全面提高智能采掘裝備的成套化和國(guó)產(chǎn)化水平。

目前,臨時(shí)支護(hù)裝備多處于半自動(dòng)化及半信息化階段,因此,探索研究安全高效的支護(hù)方案,設(shè)計(jì)新型支護(hù)設(shè)備,提供保障,提高支護(hù)效率,是未來發(fā)展趨勢(shì)之一。

煤巷快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)正向掘-支-錨-運(yùn)一體化方向發(fā)展,如研制煤巷快速掘進(jìn)協(xié)同系統(tǒng)和一體化式掘錨機(jī)組,裝置如圖9所示。

1.懸臂式掘進(jìn)機(jī);2.自移式臨時(shí)支架;3.履帶式支護(hù)車;4.鉆錨作業(yè)車;5.橋式轉(zhuǎn)載機(jī);6.帶式輸送機(jī)圖9 一體化式掘錨機(jī)組自動(dòng)化掘進(jìn)裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of automatic excavation device with integrated excavation and bolt unit

懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要進(jìn)行破煤作業(yè),配合橋式轉(zhuǎn)載機(jī)與礦用帶式輸送機(jī)完成煤炭生產(chǎn)的“三運(yùn)”工序。履帶式支護(hù)車頂梁設(shè)計(jì)有鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來協(xié)助自移式臨時(shí)支架的移架定位,以便完成綜掘巷道端頭的支護(hù)[14]。

XUE et al[15]研制了自移式錨固聯(lián)合機(jī)組,該裝備具有多站協(xié)同作業(yè)、協(xié)同支護(hù)錨固、支架推進(jìn)方便快捷、鉆錨機(jī)構(gòu)運(yùn)行靈活等特點(diǎn),如圖10所示。

圖10 自移式錨固聯(lián)合機(jī)組裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of self-moving anchored combined unit

自動(dòng)支撐錨組合單元,由自移動(dòng)先行支撐支架、錨車、多工位錨鉆機(jī)械臂等附屬裝置組成,可分為隧道機(jī)器人、支撐機(jī)器人、錨固機(jī)器人三部分。該機(jī)組具有多工位協(xié)同作業(yè)、支撐錨固協(xié)調(diào)、支架向前步方便快捷、鉆錨機(jī)構(gòu)靈活自動(dòng)等特點(diǎn)。

未來煤巷臨時(shí)支護(hù)會(huì)朝著智能化方向發(fā)展。截至目前,已建成300多個(gè)智能采煤工作面。煤炭生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了從手工操作向機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化的歷史性跨越。隨著5G+智能礦山、煤礦機(jī)器人、煤礦智能裝備等新技術(shù)發(fā)展,煤巷臨時(shí)支護(hù)智能化迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

傳統(tǒng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)和開挖錨固機(jī)的巷道設(shè)備在施工過程中難以進(jìn)行,掘進(jìn)和支護(hù)不能并行作業(yè)。在設(shè)備可靠性方面,整體可靠性較低。難以適應(yīng)復(fù)雜多變的工況條件,故障率高,啟動(dòng)率低,關(guān)鍵部件使用壽命低。基于智能傳感器和5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工藝及臨時(shí)支護(hù)參數(shù)隨圍巖條件動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整,人工感知被設(shè)備的智能感知所取代,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)過程中設(shè)備的實(shí)時(shí)感知信息和圍巖狀態(tài)的動(dòng)態(tài)分析,判斷掘進(jìn)過程的可持續(xù)性、不確定因素,掘進(jìn)與支護(hù)的高度協(xié)調(diào)是未來工作的目標(biāo)。

ZHAN[16]基于智能快速采掘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),主要包括采錨(挖)一體化、自動(dòng)切割、智能支護(hù)、挖掘?qū)Ш?、遠(yuǎn)程采集控制、連續(xù)運(yùn)輸、空間多維同時(shí)支護(hù)等,開發(fā)了用于掘-支-錨-運(yùn)一體化的智能遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)架構(gòu),如圖11所示。

圖11 掘-支-錨-運(yùn)一體化的智能遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.11 Structure of intelligent remote centralized control system with excavation-support-anchor-transportation integration

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多設(shè)備協(xié)同運(yùn)行。提取錨固單元,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割、錨固支撐、臨時(shí)支撐、裝卸功能。為邊際感知、平臺(tái)決策、設(shè)備執(zhí)行、遠(yuǎn)程操作的技術(shù)保障,通過協(xié)調(diào)工作臺(tái)面上的各種設(shè)備和環(huán)境生物,相互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的獨(dú)立運(yùn)行;通過對(duì)煤層發(fā)生和周圍特征、挖掘環(huán)境和設(shè)備工作條件的感知。為減少人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)安全、高效的綠色挖掘,將設(shè)備一鍵操作設(shè)置為自主感知、自主分析、自主決策、自主實(shí)施挖掘生產(chǎn)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

煤巷臨時(shí)支護(hù)作為巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵一環(huán),直接關(guān)系著煤炭行業(yè)的產(chǎn)能和效益。綜掘技術(shù)的不斷發(fā)展意味著研發(fā)新型高效臨時(shí)支護(hù)技術(shù)與裝備刻不容緩。通過研究國(guó)內(nèi)外煤巷臨時(shí)支護(hù)現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)存在的問題,針對(duì)關(guān)鍵性問題,借助大數(shù)據(jù)、5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等高科技技術(shù)研發(fā)具有系統(tǒng)化、全面型設(shè)計(jì)的臨時(shí)支護(hù)裝備,實(shí)現(xiàn)掘-支一體化智能化作業(yè),對(duì)提升巷道快速掘進(jìn)和臨時(shí)支護(hù)智能化有著深遠(yuǎn)意義。