煤矿掘进工作面快速掘进工艺技术研究

煤矿掘进工作面快速掘进工艺技术研究

史晨光

山西兰花集团伯方煤矿，山西省晋城市高平市048400

摘要：我国煤炭储量很大，由于煤炭开采地区地形复杂，不同煤炭层厚度变化幅度大，煤炭开采过程面临诸多挑战。为确保顺利开采煤矿，需要增加通道数量。大量的煤矿通道有助于确保煤矿开采期间不会发生事故。我国现在有很多重大的建设项目，导致煤矿开采路线的数量增加。文章介绍了现有掘进工艺现状，分析了现有掘进工艺存在的问题，并通过具体分析与研究提出三种不同模式的掘支平行快速掘进工艺，以寻求更加合理的掘进和支护作业新模式，从根本上缩短作业时间，提升掘进效率。

关键词：掘进工作面；掘支平行快速掘进工艺；掘进效率

1掘进工艺现状

1.1掘进机配套单体气动锚杆钻机

目前该工艺还占据掘进工艺的主流，多数矿井也仅将掘进作业中的割、装、运实现了悬臂式掘进机机械化作业，而支护工序还停留在使用单体锚杆钻机、气动凿岩机等人工作业模式，支护作业占用掘进时间较长。单体锚杆钻机还需要人工搬运、搭脚手架，掘进效率较低，安全隐患多。

1.2掘锚一体化掘进工艺

该工艺分为两种模式，其中一种是采用横轴式滚筒，4台顶锚杆钻机呈一条直线布置于滚筒后部，可同时施工顶板锚杆，帮部锚杆滞后施工，该掘锚机施工时受条件限制较多，且空顶距较大（1.5m），因此，只能适用于顶板平整且煤层走向及地质条件较好的矿井，近些年也主要在神华、陕煤等矿井使用；另一种是基于纵轴式掘进机研发的掘锚机组，将锚杆钻机布置于机身左右两侧，掘进作业完成后锚杆钻机滑移至截割头上方左右两侧，利用锚杆施工钻臂的360°旋转功能实现不同高度、各种角度锚杆锚索的机械化施工作业，施工效率及作业环境得到了根本性的转变，且纵轴式掘锚机因钻臂机构可伸至工作面迎头，使空顶距大大缩小。针对一些顶板条件差、构造复杂的工作面，该工艺具有适应性广、支护速度快、支护质量高、劳动强度低等优点。

1.3盾构机施工工法

此类设备主要用于坚硬岩石施工，充分解决了目前煤岩巷道施工中的效率和粉尘瓶颈。它具有以下优点:坚硬岩石剪切能力强、机械化程度高、安全性高、效率高、扰动小、车库门成型良好，但对车库门变化的适应能力低、过渡时间长。目前，淮北矿业应用中此类设备的最大准入规则为60m/d。

1.4掘进机配套单轨吊锚杆钻车

该工艺将锚杆钻车布置于巷道上方，采用单轨吊结构实现锚杆钻车的前移与后退。在掘进机截割作业时，锚杆施工钻臂后退至掘进机的尾部，与掘进机截割作业互不影响，在截割完成后通过单轨吊驱动锚杆钻臂至工作面迎头，并将锚杆钻臂锁紧至轨道上，此时操作锚杆钻臂便可实现对巷道内锚杆锚索的机械化支护作业。该工艺因单轨吊需在掘进机机身上方前后移动，对巷道高度有最低限制，只适用于高度较高的掘进工作面，使用范围受到一定限制。

2快速掘进技术构架

掘进机是快速掘进过程中最重要的机械设备之一，参与了许多工作，包括姿态调整、切割位置、断面切割、扫地等。其中姿态调整和截面切割是最重要的两个部分，调整精度和切割方法将直接影响矿山的效率和质量。因此，为了提高掘进效率，必须优先调整掘进机姿态和切割坑道，然后引入设备自动监控系统，及时消除设备安全隐患，保证掘进机安全稳定运行。图1是地下巷道的快速掘进示意图。a)掘进机采用掘进姿态检测和校正技术。b)安装多个传感器，以实时监控姿势。c)通过计算机仿真技术自动调节镗床的方位，实现自适应补偿。同时，在断面巷道切割过程中，采用了自动断面成形和自适应断面切割的方法。及时分析和修正截面成形误差，将切削头轨迹设计和跟踪与计算机信息技术相结合，控制可变切削头。掘进机自动监控系统采用了安全运行和容错技术。首先，通过实时监控镗床的工作状态来确定故障。然后，利用容错组合定位和动态容错位置控制技术，实现设备的实时性。

3快速掘进工艺研究

通过对现有掘进工艺的分析与研究，并结合巷道掘进中的割、装、运、支四大工序，可以清楚地了解到在煤矿掘进过程中割、装、运已全部实现了机械化作业，技术较成熟且能够同时进行。制约掘进效率的主要工序在锚杆、锚索支护环节，支护工序占用掘进时间较长且机械化程度低，未来如果要实现快速掘进，必须将支护工序与截割工序统筹考虑，寻求更加合理的作业模式，重点要在掘支平行作业方面寻求更大的突破，使掘进环节中的割、装、运与锚杆支护同时进行，从根本上缩短作业时间，提升掘进效率。通过对掘进现状分析，并结合不同地质条件，煤矿快速掘进工艺有以下几种形式可以推广。

3.1横轴式掘锚机+锚杆转载机组

该工艺适用于地质条件较好的矿井，掘锚机上的4台顶锚杆钻机完成前部顶锚杆施工，紧跟其后的锚杆转载机组一方面完成物料的转运，另一方面通过安装于其机身上的3台顶锚杆钻臂及两台帮锚杆钻臂完成后续锚杆及锚索的机械化作业，且在施工过程中后部锚杆与前部锚杆可同时施工，互不影响，掘支同时施工的作业模式促进了掘进效率大幅提升，但该工艺并不适合大范围推广，目前在神华、陕煤等条件较好的矿井使用。横轴式掘锚机+锚杆转载机组的快掘工艺布置如图1所示。

3.2悬臂式掘进机+滑移式临时支护+跨骑式液压锚杆钻车

该工艺通过滑移式临时支护装置很好地解决了工作面迎头的支护问题，掘进机位于滑移式临时支护装置下完成截割作业，在截割作业同时，位于掘进机后部的跨骑式液压锚杆钻车通过安装4台全方位360°旋转的钻臂，可实现顶帮锚杆及锚索的高效便捷施工，施工作业灵活，掘支可平行施工，作业效率较现有的掘进工艺提升50%左右，且该工艺在地质条件选择方面适应性广，临时支护装置有滑移式和无反复支撑门式两种形式。目前该工艺正在焦煤集团西山煤电下属矿井推广应用，将来面对地质条件不太好的矿井都能尝试该工艺的推行。悬臂式掘进机+滑移式临时支护+跨骑式液压锚杆钻车的快掘工艺布置如图2所示。

3.3护盾式掘锚一体化机组作业

以上两种形式虽然在掘支平行作业方面有一定的突破，但根据不同地质结构掘支平行处于部分平行或阶段平行，未来煤矿掘进工艺如果想在效率提升及作业环节优化方面有进一步的改善，真正实现全部平行施工是目标，护盾式掘锚一体化作业将是发展方向，将掘进环节的割、装、运、支全部集成于一台装备上，且能够很好地完成临时支护功能，同时在实现快速掘进工艺时还需充分考虑截割方式与地质条件的匹配性，确保针对不同地质条件或遇构造断层时也能顺利截割。从截割角度而言，横轴一体式滚筒无疑是最快形式，但遇条件变化存在截割困难、故障率高的问题，因此，在护盾式掘锚一体化装备研发中，可以考虑将滚筒施工的结构形式从整体式调整为分段式，改善滚筒截齿的布置方式，针对岩巷、半煤岩巷施工调整滚筒整体结构，从而保证整个掘进过程的连续性、高效性，整套护盾一体化装备在施工、操作及功能性等方面还需朝着智能化的目标进行技术攻关，逐步将掘进作业与综采作业一样形成一整套较完善的系统性装备，整体提升掘进作业水平。

4结语

煤矿快速掘进工艺是一项系统工程，快速掘进工艺技术的研究也必须围绕整个掘进系统进行相关技术及装备的研发。从目前而言，掘进过程中的每一个环节都或多或少会对掘进效率带来影响，掘支平行工艺的推行是需要综合考虑所有工序，包括巷道的粉尘处理，快速截割及自动化截割，锚杆锚索施工中的上网、换钻杆、加锚固剂、紧固等环节的自动化技术突破，巷道运输环节的流畅等，因此，在煤矿快速掘进工艺研究中，需要整合多方资源，融合国内外精尖技术，从实地、井下一线的切实需求着手，逐项突破，逐步推进，通过持续不断的创新为煤矿快速掘进的实现找到一套系统性的解决方案。

参考文献

[1]郝永亮.煤巷快速掘进技术的研究与应用[J].机械管理开发，2021,36(9):201-202;253.

[2]张明生，贾文浩.煤巷快速掘进技术的应用实践与思考[J].山西煤炭，2017(2):1-3.