煤礦山煤巷掘進(jìn)技術(shù)和裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

巷道掘進(jìn)技術(shù)及設(shè)備直接影響煤炭開采能力，今天分析我國煤礦巷道掘進(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。

關(guān)鍵詞：煤礦,巷道掘進(jìn)技術(shù),巷道掘進(jìn)裝備,懸臂式掘進(jìn)機(jī)

煤炭資源是我國重要的能源之一，為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。我國煤礦開采強(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。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。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：單體錨桿鉆機(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；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。隨著巷道設(shè)計理念及掘進(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，施工相對靈活，設(shè)備配套形式多樣。但其不足是截割頭不可擺動，斷面均是矩形斷面，不易管理現(xiàn)場，對地質(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，我國巷道掘進(jìn)多為掘錨分步施工，相關(guān)統(tǒng)計顯示，單個循環(huán)支護(hù)時間為其總時間的60%，截割時間約占20%至30%，其余為系統(tǒng)故障影響時間。巷道掘進(jìn)成巷效率主要由支護(hù)作業(yè)時間決定。同時，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)煤國對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，以一臺設(shè)備同時完成掘進(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，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)，對安全施工及施工效率都有嚴(yán)重影響。我國掘進(jìn)技術(shù)同裝備也獲得了極大發(fā)展，但其自動化程度和機(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)備的時間較長，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，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。盡管近年來我國對懸臂式掘進(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、自動定位導(dǎo)航等核心技術(shù)，巷道掘進(jìn)裝備的自動化程度仍然不高。

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

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)、自移動邁步機(jī)尾、可彎曲轉(zhuǎn)載機(jī)（帶式）、自動除塵及移動式力站等系統(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，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、臨時支護(hù)支架、動力站、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，超前臨時支架及時支護(hù)頂板，對物料進(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，截割時自帶鉆臂系統(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)場狀況對工作狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，還可對工作方式進(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)在自動導(dǎo)航、位姿、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測及遠(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，世界各國對智能化技術(shù)進(jìn)行了大量研究，我國一些研究單位及高校也對其進(jìn)行了探索研究，如對規(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、煤巖識別和診斷故障、通訊技術(shù)等方面是國外研究的重點(diǎn)，其將紅外攝像同截割機(jī)械振動特征等相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)分析識別煤巖邊界，井下現(xiàn)場試驗(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)備對其振動、溫度和油液泄露等問題進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)故障整段的可視化，對于認(rèn)可形式的控制及監(jiān)測系統(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，且簡單而快速。采集截割臂運(yùn)動、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)信息和自動截割控制軟件等相結(jié)合，完成掘進(jìn)機(jī)路徑計劃算法，對各個截割參數(shù)及軌跡進(jìn)行自動調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了其自適應(yīng)截割。

4 未來掘進(jìn)技術(shù)朝著智能化發(fā)展

總之，當(dāng)前我國煤礦掘進(jìn)技術(shù)所用的設(shè)備均是高自動化、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?？梢姡岣呔C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。