我国煤矿巷道快速掘进技术与装备发展研究

赵上策

摘要：我国绝大部分煤矿采用地下开采方式，随着我国对煤炭资源的快速消费，我国煤矿产能越来越大，综采工艺发展成熟，综掘工艺却相对落后，多数矿井存在采掘失调问题。尤其近年煤炭价格的下跌，采掘失调问题日益突出，由于巷道掘进效率低，煤矿开采建设周期长、时间成本高，煤矿巷道快速掘进技术的研发对于提升煤矿竞争力具有至关重要作用。

关键词：煤矿；巷道；掘进；装备

1引言

我国是煤炭大国，煤炭的开采主要是以井下开采为主，特别是进入21世纪以后，随着科学技术的飞速发展和进步，我国的煤矿开采技术和设备都得到了空前的提升，自然煤矿的开采效率也得到了相应的提高。但是，我国煤矿巷道快速掘进技术与设备发展相对比较滞后，导致了煤炭企业各个领域发展不平衡，造成煤矿开采比例失调。近些年来，能源的结构模式和增长方式都发生变化，这造成了煤炭严重产能过剩、开采煤炭比例失调、煤矿巷道掘进速度低下、煤矿开采周期长、难度大、成本太高以及设备陈旧等诸多问题。为了解决这些问题、优化产能结构，为了提高煤矿的开采速度、降低生产成本以及实现煤矿安全高效的运行，当务之急是要提高煤矿巷道快速掘进技术，以及创新、优化设备。

2煤矿巷道快速掘进技术现状

进入21世纪以后，我国的煤矿掘进技术得到了快速的发展，锚杆支护技术也得到了一定的普及，煤矿巷道开采技术主要有三个要素：人工、爆破以及掘进，这三要素组合起来形成了以掘进机为主的3种不同的掘进工艺。第一，悬臂式掘进机与锚杆钻机搭配工作；第二，连续开采机与锚杆钻车搭配工作；第三，众多掘锚机一同工作实现掘锚一体化、自动化。其中，应用最多的是第一种掘进工艺，其在配合作业中有着极强的适应性，但是其掘进速度相对较慢。第二种掘进工艺主要应用在我国神东、榆林一带的矿井，其在作业中对煤矿地质条件有较高要求，在施工时需要交换顺序。第三种掘进工艺的特点是可以实现掘锚同步作业。实现掘锚作业的一体化，只要作业条件具备，就能够极大的加快掘锚速度。但是其对矿井的地质条件也有较高要求，因此这种工艺没有得到很好的推广和普及。

根据资料显示，目前我国煤矿巷道掘进主要采用的是掘锚分布作业的方法，其中，在一个完整的掘锚过程中，支护时间占55%～65%，截割占25%～35%，剩下的为系统故障影响，占15%～20%。显然，支护时间占一个掘锚周期的大多数时间，由此可见，支护时间是影响掘进效率最主要的原因。除此以外，在掘进的实际施工中，各个环节搭配的不完美、设备落后等原因也可能导致煤矿掘进速度变慢。要想研发出煤矿巷道快速掘进技术，就必须提高锚杆的支护效率以及实现锚杆机械化生产。为研发这种煤矿巷道快速掘进技术，世界各国都在不断地探索，意在让掘进机和锚杆组合在一起，把锚杆钻机装在掘进机上，形成了掘锚机组以及掘进支护一体机，并且其通过对设备的控制来实现掘进机和锚杆一系列的操作，如装煤、锚杆打眼、巷道掘进等。

3我国煤矿巷道快速掘进技术存在的问题

我国煤矿现有的综掘工艺采用单体锚杆钻机配合悬臂掘进机掘进方式，严格意义上来讲，此类掘进工艺并不是真正的综掘工艺。目前的综掘工艺仅仅做到了切割、运输的机械化、自动化，在供电、供气、供水、支护等方面仍然采用人工作业方式。此外，掘进与支护作业集中在迎头掘进面，不仅影响了掘进效率，还严重影响了作业安全。我国煤矿巷道快速掘进技术经过多年的发展，仍存在以下不足和问题。

3.1 机械化、系统化程度低、

目前的综掘设备主要由单体锚杆钻机、悬臂式掘进机、转载机、皮带输送机组成，前期的准备、安装、调试工作量大，后期维护频繁且该工艺只实现了切割、运输工序的机械化。其余工序仍需大量人工进行，综掘系统性差，各个工序衔接性差，不能称为真正意义上的综掘工艺。

3.2自动化、智能化程度低

为了提升掘进效率和安全性，自动化、智能化综掘工艺日益成熟。煤矿巷道的掘进是形成整个开拓系统的基础工程，开拓系统的形成是一个系统工程，在掘进过程中包括多个工序：测量、供气、供水、通风、切割、运输、供电等。神华集团在自动化、智能化快速掘进设备、技术的研究代表了我国该领域的最高水平，实现了井下无人自动化掘进。但是在掘进定向、记忆切割、故障自动诊断等核心技术上，自主知识产权较低，仍然采用的国外技术。

3.3掘进与锚喷支护不能同时进行

由于煤矿地质条件的特殊性，以及出于成本考虑，煤矿井下巷道断面通常较小，由于空间不足，切割与支护不能平行作业，围岩暴露时间增加，掘进效率低，安全性差。

4我国煤矿巷道快速掘进技术发展方向

4.1系统集成

对掘进过程中的所有工序进行系统化设计，实现多个工序的自动化平行作业，能适用于不同赋存条件的煤层、岩巷、煤-岩巷。

（1）掘锚机快速掘进系统

此类快速掘进技术适用于地质结构简单、围岩稳定的水平或近水平煤层矩形巷道的掘进，掘锚机快速掘进系统主要包含以下几部分：掘锚机、跨骑式锚杆钻车、自移动动力站、带式转载机、除尘系统和通风系统构成。跨骑式锚杆钻车可骑在转载机两侧，从而实现掘进与支护平行进行。该技术已在某煤矿得到应用，最高掘进进尺可达3095米/月。

（2）悬臂式掘进机快速掘进系统

悬臂式掘进机快速掘进系统即综掘式快速掘进系统，该掘进系统广泛适用于不同地质条件的煤矿，且断面大小和形状不受影响。该系统主要由机载锚杆钻臂系统、转载机、运锚机、动力站、通风系统、除尘系统构成。悬臂式掘进机切割完成后，煤岩由转载机、皮带运输机运走，同时机载钻臂系统对掘进迎头工作面进行锚杆支护作业，从而实现掘进与支护平行作业。

（3）超前支护与悬臂式掘进机相结合快速掘进系统

该快速掘进系统可适用于各种地质条件的煤矿，巷道断面通常为矩形或拱形。系统主要由超前临时支架、悬臂式掘进机、转载机、运锚机、动力站、通风系统、除尘系统构成。掘进机切割完成后，超前临时支护支架立即对顶板进行支护，掘进机机载钻机可对巷道迎头打超前探孔，对瓦斯和水进行超前探测。

4.2智能化

煤矿巷道快速掘进系统集成是让掘进设备、工序的机械化、系统化，而智能化是给机械化、系统化富裕了自主工作的能力。掘进技术的智能化是我国煤机发展的必然方向，是提升自身竞争力、效率、安全性的重要途径。智能化的主要环节包括：位姿自动调节、自动导航、轨迹规划、地质条件检测与识别、自我检测与故障识别、远程通信与监控等。

我国在智能化煤机研究方面目前处于起步追赶阶段，所掌握的核心技术较少。国外智能化煤机的研究主要集中在狀态检测、故障诊断、通信和煤岩识别上，对煤机等设备的温度、震动、轨迹、角度等参数主要有红外摄像技术和激光扫描技术两种。激光扫描技术较红外摄像技术更为先进，监测数据更加精确，系统运行更快速稳定。

5结语

近十年随着装备技术的发展与煤价的飙升，采煤工作面的设备也实现了高功率、高产能、高自动化。但是掘进工作面相关的掘进设备、工艺发展却滞后于采煤工作面，采掘失调问题严重制约了煤矿的健康可持续发展。在此背景下，促进了煤矿巷道快速掘进技术的快速发展，只有做到采掘的平衡，加快巷道掘进速度，降低时间成本，同时确保安全生产，煤矿在严峻的市场中才能生存下来。

参考文献：

[1]刘玉明，高瑞.我国煤矿综合机械化掘进技术的发展现状[J].南京科技信息，2015（12）：34-38.

[2]王海波，陈锐.我国煤矿巷道快速掘进关键技术研究[J].煤炭科学技术，2017（15）：54-58.

[3]金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术研究[J].煤炭学报，2016（14）：14-18.