煤矿巷道掘进技术的现状与发展

煤矿巷道掘进技术的现状与发展

刘超

平顶山平煤集团十一矿 河南平顶山 467000

摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，煤矿开采主要是在地底下进行，特殊的作业环境决定了煤矿开采前需要进行巷道掘进。但巷道掘进过程会对原本平衡的围岩结构体系造成破坏，如果不对巷道进行保护，有可能会发生垮塌等安全事故，威胁矿井安全。实践中为保证巷道掘进过程的安全，通常会配套使用支护技术，支护技术方案的优劣直接决定了巷道掘进过程的安全。因此有必要对巷道掘进支护技术进行深入分析和研究，进而提升巷道掘进过程的安全程度。

关键词：煤矿；巷道掘进；支护技术

引言

巷道掘进作为煤矿生产的基础，巷道能否安全掘进直接影响煤矿生产。随着矿井安全生产投入不断增加，煤矿安全生产形势得以明显改善，百万吨死亡率呈现逐渐降低趋势。矿井对掘进工作面人员监督一般分为远程监督以及现场管理两种方式，但是均需要依赖人工进行判定，不能及时发现不安全行为。因此，研究一种智能化掘进工作面安全预警系统，以实现对掘进面常见安全隐患进行监测、提醒，从而达到提高掘进工作面安全管理能力的目的。

1快速掘进技术构架

掘进机在综采作业过程中的工艺流程主要包括姿态调整、掏槽定位、巷道断面截割、刷帮扫底、收煤几个环节，其中掘进机的姿态调整精度和巷道断面截割方式直接影响到掘进作业效率和断面成型质量，因此对巷道掘进效率的提升应重点从掘进机姿态的监测和纠偏、巷道断面的自动成型两方面入手，同时需要增加掘进机故障自动监测技术，提升掘进机掘进作业的稳定性。掘进机的掘进位姿检测与纠偏技术主要是利用大量的传感器设备对掘进机的姿态进行监测，然后利用组合定位算法及惯性导航位姿解算方法对掘进机的姿态进行确认，针对不同的姿态选择不同的纠偏方案，从而实现掘进机的自适应纠偏。断面自动成型与自适应截割技术主要是通过断面成型误差分析、自适应截割控制和截割轨迹跟踪技术来实现的。掘进机的故障监测技术，主要指的是自适应诊断，包括全状态故障诊断、容错组合定位及动态位姿容错控制，通过对各类运行状态信息进行监控对比，确定掘进机的运行状态，进而实现对故障的自动检测和报警，提升掘进机的运行稳定性。

2煤矿巷道掘进技术

2.1施工工艺

煤巷掘进过程中的作业流程包括割煤、装煤、支护、运输等环节。支护是巷道掘进作业中较为繁琐的一项工序，不同的施工工艺掘进速度也有明显差异。我国煤巷掘进常用的施工作业线如图2所示。该施工作业线机械化程度高、适应性强、灵活性好，可实现煤岩的连续截割和运输，但是该作业线的缺点在于无法实现掘、支平行作业，掘进速度受支护作业影响程度大。另外，煤巷掘进施工还有掘锚一体机组、桥式传送机、转载破碎机、带式运输机组成的生产工艺流程，不同的工艺流程有不同的特点和适应条件，应根据工作面实际情况进行选择设计。

2.2工字钢棚支护

为确保掘进通过特殊地质构造区域时巷帮能够有效支撑顶板，不发生顶板下沉现象，在掘进巷道通过断层等特殊地质构造区域时，应当提前5?m开始布设密集钢棚，钢棚型号为U29，布设间距为1?000?mm，同时使用3组拉杆对相邻的钢棚进行联锁保护。架设的钢棚与围岩之间应当预留200?mm的孔隙，并使用水泥背板填充，从而构成密闭砌碹结构。

2.3顶板支护参数设计

顶板锚杆采用的是左旋螺纹钢锚杆，其直径和长度分别为22mm和2.4m，相邻两根锚杆之间的距离设置为0.9m，将相邻两排锚杆之间的距离设置为1m，根据以上设置每排需要设置6根锚杆。锚杆安装时需要配套使用树脂型锚固剂，数量为1根，还需要配套使用一些零部件，主要包括垫圈、球垫和高强螺母。其中使用的拱形托盘必须具有很高的强度，托盘的规格尺寸为120mm×120mm×8mm。为进一步提升锚杆的整体性，通过钢筋梯梁将相邻两排锚杆进行连接，使用的梯梁长度和宽度分别为4.7m和80mm，钢梁与锚杆之间进行焊接连接。顶板表面还需要铺设菱形金属网，金属网由10号铁丝焊接制作而成，菱形边长为50mm。金属网的规格尺寸为5.3m×1.1m，安装金属网时要求搭接宽度超过100mm，利用铁丝进行牢固捆扎，使之形成整体。所有锚杆在安装时都与顶板表面保持垂直，安装误差不得超过5°。完成安装工作后需要实施二次预紧，要求预紧力矩超过300N·m，以此保障锚固效果。顶板中使用的锚索属于高强钢铰线，其直径和长度分别为18.9mm和5.3m，相邻两根锚索之间的距离设置为2m，相邻两排锚索之间的距离同样设置为2m。根据以上尺寸，每排需要设置2根锚索。锚杆和锚索之间采用的是“2-0-2”的布置方式，即每间隔2排锚杆设置1排锚索。锚索安装时需要使用2支树脂型锚固剂，还需要使用配套的拱形托盘，规格尺寸为300mm×300mm×15mm，要求具备较高的强度。锚索同样与顶板平面保持垂直安装，角度误差不超过5°，安装刚完成时要求锚索的初始张力超过250kN。

2.4带式输送机堆煤安全预警模块

设计的带式输送机堆煤安全预警模块主要是对巷道掘进期间带式输送机是否出现堆煤进行判定，主要结构包括有矿用防爆摄像头、后台处理软件以及声光报警装置等，具体硬件结构见图4。在带式输送机容易出现堆煤的机头位置安装矿井防爆摄像头，实时获取机头位置图像信息，利用以往输送机堆煤前获取到的图像特征来判定输送机机头位置是否出现堆煤。在一定的时间范围内，摄像头获取到的机头图像信息发生明显变化时，即为获取到的最后一帧图像与原有背景图像发明明显变化时即可判定出现堆煤事故。后台处理软件按照预先设定程度发出报警指令，声光报警装置发出信号提示附近作业人员及时对故障进行处理。

2.5巷道顶板钻孔窥视及结果

为分析运输巷道顶板不同距离位置围岩的变化情况，在监测站1附近顶板位置进行钻孔，钻孔直径为30mm，钻孔深度为5m。利用专业的钻孔窥视仪可以对孔壁的具体情况进行观察。可以查看孔壁是否存在离层、破裂等问题，进而验证巷道支护技术工艺方案的有效性。结果表明：与巷道顶板距离在0.1~0.2m范围内，围岩出现了比较严重的破碎现象，主要是因为距离顶板太近，围岩表面在变形过程中将附近的岩石挤碎。与顶板距离在0.2~3.5m范围内的围岩，整体上比较完整，只有部分区域出现了破碎的现象。与顶板距离在3.5~5m范围内的围岩，基本上未发现有破碎的问题，整体上非常完整。由巷道顶板钻孔窥视结果可以看出，除与巷道顶板距离较近的部分出现破碎问题外，其他位置的巷道围岩整体上比较完整，没有发生明显的破碎。表明在巷道支护的作用下围岩稳定性有了显著提升。

结语

1）掘进机的掘进位姿检测与纠偏技术主要是利用大量的传感器设备对掘进机的姿态进行监测，然后利用组合定位算法及惯性导航位姿解算方法对姿态进行确认，从而实现掘进机的自适应定位和纠偏。2）采用新的快速掘进技术后，井下巷道的掘进效率比优化前提升了22.1%，巷道一次成型率比优化前提升了34.2%，掘进机工作过程中的停机维修时间比优化前降低了73.4%，显著提升了井下巷道掘进效率和一致性。

参考文献

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