煤矿掘进巷道综合导向技术应用

韩 森

（山西高河能源有限公司，山西 长治 046000）

传统的导向定位技术主要采用经纬仪与激光指向等，随着煤矿开采的复杂化、大型化，传统导向定位技术已不能满足井下快速掘进的要求，需采用新的综合导向定位技术，以保证矿井的高效生产[1-5]。本文以E1306上分层胶带顺槽立交跨越东翼辅运大巷为工程为例，通过采用综合导向技术指导E1306上分层胶带顺槽掘进施工，大大提高井下巷道掘进速度，实现井下巷道的安全高效掘进。

1 工程概况

E1306上分层胶带顺槽南接东翼胶带运输大巷（已掘），向东距E1302辅运顺槽平距27 m（中对中），东面为E1306采煤工作面；北接E1306上分层充填工作面切眼（未掘）；西面为E1308采煤工作面；南边为E1302工作面。E1306上分层胶带顺槽开口施工93 m后立交跨越东翼辅运大巷，为保证准确定位跨越风桥位置及指向E1306上分层胶带顺槽的掘进方向，采用综合导向定位技术。

2 导向定位技术

2.1 传统导向定位技术

科学技术的发展，上世纪70年代激光定向技术逐步应用于我国井下巷道掘进施工中。激光定向具有可靠度高、操作方便等优点，是巷道掘进施工中较为成熟可靠的定向技术之一。激光定向的基本原理为调节激光指向仪的位置，使激光对准通过全站仪定位的3个中线点，这时激光指向的方向即为巷道掘进方向。掘进工可根据激光在掘进头形成的光点来进行掘进施工；然而随着矿井设备的大型化及开采条件的复杂化，单一使用激光定向的弊端也逐渐显露，主要表现在：井下工作环境较差、粉尘、水汽等俱存，影响掘进工视线，从而导致掘进偏差；另一方面掘进巷道断面需要依靠掘进工的经验来把握，因此会出现超挖、欠挖等现象；一些大型设备在井下掘进工作面的应用，而大型设备可能会遮挡激光指向路径。基于以上原因，在现阶段的煤矿掘进工作中，有必要采取更为先进的定向技术，以精确指导巷道掘进方向。

2.2 综合导向定位技术应用

（1）全站仪测量控制导线

在E1306上分层胶带顺槽开口标定时，采用全站仪进行量测。根据E1306上分层胶带顺槽的巷道情况，每150 m布置一站基本控制导线，导线测量精度为7秒，并在巷道中心测量定位出不少于三个点，以进行下一步测量工作。

（2）合理选取激光中心线

激光导向虽然有其弊端，但为更加精确的指导巷道掘进方向，同时定位出风桥在E1306上分层胶带顺槽的投影位置，仍保留激光导向作为综合导向定位技术之一。为使测量放线工作顺利进行，激光定向点的位置需由专业技术人员根据掘进面情况确定。根据E1306上分层胶带巷掘进面设备布置情况及巷道断面大小，选取激光定向点位于巷道左帮0.3～0.5 m处。该位置一方面方便架设测量仪器，另一方面不影响掘进施工。

（3）全站仪测量延线

E1306上分层胶带顺槽巷道进行延线时，首先应对上次延线资料进行收集和整理。根据井下测量控制网及控制点计算出本次延线所需用的资料，之后进行实地放线，延线应根据相关规定进行操作，标定三个中线点，并保证点位的准确性。

（4）人工激光辅助导向

掘进施工人员需将激光指向仪固定在E1306上分层胶带顺槽巷道顶板的锚杆上，调整激光仪角度，使光线通过三个中线点从而为巷道掘进导向，掘进工根据激光仪的光斑进行人工激光辅助定向。

（5）惯性陀螺仪的应用

惯性陀螺仪具有测量精度高、安装方便、成本低等优点，其基本构造见图1。将其引入煤矿井下测量导向工作中，将大大提高井下导向精度，且可与激光定位配合使用。E1306上分层胶带顺槽掘进定向中，将惯性陀螺仪安装在掘进机的主框架内，掘进作业时惯性陀螺仪可计算掘进机与巷道设计中心线的偏差，同时将偏差显示在屏幕上，以指导掘进工及时调整掘进姿态，不出现超挖、欠挖等现象。

图1 陀螺仪基本构造

（6）相机+激光视觉测量

在巷道指向定位中采用摄像处理技术是比较先进的一种理念，该技术的基本原理是：通过现场安装的高倍摄像机进行目标拍摄捕捉，将拍摄的图片实时传入相应的图片处理系统，将所需的参数进行解析与设计参数对比，从而找出偏差，以指导巷道的掘进方向；然而目前井下环境较为恶劣，拍摄图片质量有限，因此该技术可作为一种辅助导向定位技术，与激光测量配合使用，将高倍相机安装在掘进机端头合理位置，以激光作为参考，相机移动时其捕捉到的坐标点位也会实时变化，动态的指导定位方向。

3 掘进施工

3.1 作业前准备

距风桥20 m前，由地测部实测巷道标高，10 m再测一次，根据实测及时调整巷道坡度，保证E1306上分层胶带顺槽按照设计标高掘进；距跨越东翼辅运大巷10 m前，在东翼辅运大巷立交处提前做好风桥砌筑工作（距跨越东翼辅运大巷7天前，风桥砌筑工作必须完成）。

3.2 跨越掘进施工工序

根据巷道实测标高测算，跨越东辅大巷风桥段预计最大破岩厚度为3.0 m。掘进时严格按照地测部放置巷道腰线施工，风桥位置及前后2 m底板留煤厚度保证≥200 mm。当掘进机能够有效割上部岩石时，则采用掘进机割岩，当上部岩石硬度较大时采用放震动炮配合掘进机掘进。下部煤体采用EBZ160掘进机破煤配合人工掘进，施工时先施工上部岩石，后施工下部煤。风桥段岩石放松动炮：风桥位置及前后2 m范围炮眼深度1100 mm，炮眼间排距400 mm×450 mm。每排布置13个炮眼，掏槽眼装药量为0.6 kg，辅助眼、周边眼装药量为0.4 kg，炮眼封泥长度600 mm；其余松动炮炮眼深度2200 mm，炮眼间排距400 mm×450 mm。每排布置13个炮眼，掏槽眼装药量为1.0 kg，辅助眼、周边眼装药量为0.6 kg，炮眼封泥长度800 mm；震动炮采用乳化炸药及毫秒延期电雷管、电容起爆器，当岩石硬度较硬，不能达到预期爆破效果时，及时出具复查，并对装药量进行调整。

跨越风桥前，岩石厚度增加，每增加450 mm，增加一排炮眼；跨越风桥后，岩石厚度减小，每减小450 mm岩石厚度，减少一排炮眼；最下部一排炮眼距煤线距离≥200 mm。

4 综合导向定位技术效益

4.1 提高巷道掘进质量

采用激光指向、经纬仪测量、惯性陀螺仪与相机视觉等测量技术相互配合的综合导向定位技术，能大大提高巷道掘进的质量。根据E1306上分层胶带顺槽的掘进情况，其最大偏差控制在8 cm以内，保证了掘进巷道的质量，可将该综合定位导向技术推广到其他巷道掘进及贯通施工中。

4.2 提高掘进效率

采用传统导向定位技术，仪器受井下环境影响较大，且不具备实时导向纠偏功能，需要井下技术人员不断的在作业间隙对仪器架设位置及指向方向不断调整和纠正，以保证掘进方向的准确，而采用综合导向定位技术则可通过惯性陀螺仪与相机视觉测量实现实时定位纠偏，掘进工可根据屏幕上的偏差信息来及时纠正掘进姿态。保证掘进质量的同时，又可实现不间断掘进，有效提高了掘进效率。E1306上分层胶带顺槽掘进施工中月进尺达到150 m。

4.3 保证人员安全

由于采用综合导向定位技术，不需要人员经常的出入掘进作业区对指向仪器进行调整，指导掘进方向的准确性，降低了人员与危险源的接触时间，从而保证了掘进施工人员的安全，减少了伤害事故的发生。

5 结语

1）以E1306上分层胶带顺槽立交跨越东翼辅运大巷为工程背景，指出了井下导向定位测量技术对掘进施工的重要影响，回顾了传统导向技术的不足之处，提出采用综合导向技术指导E1306上分层胶带顺槽掘进施工。

2）介绍了E1306上分层胶带顺槽的跨越施工工艺，并对其应用综合导向技术的实际效果进行了评述。综合导向使掘进施工从效率、安全、质量等方面得到大幅提高。