煤矿井下高效综掘及围岩变形趋势的研究

樊建龙

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

煤炭是我国的基础性能源资源，在国民经济发展中占据着十分重要的地位，对煤炭的需求量不断增加，因此对井下煤炭的综掘提出了更高的要求。目前，我国煤炭井下综掘主要是以半自动化为主，人员需求量大、综掘效率和国际先进水平存在着较大的差距。在井下支护选择、智能化联动开采方面未进行系统性的研究，无法对井下高效综掘的推广提供理论支撑。目前靠人工经验的方式存在着较大的不足，因此需要对井下巷道变形及智能高效综掘进行系统性的研究，为进一步提升井下综掘的智能化程度奠定基础。

1 井下高效掘进控制系统

随着综掘装备水平自动化程度地不断提升，要想进一步提高井下综掘效率，就需要建立起各设备智能联动运行控制系统，实现从围岩状态探测、掘进机智能掘进、井下智能支护、物料运输及井下综掘工作面各设备运行状态监测的全面智能化和“一个流”的综掘运行控制[1]，因此根据井下综掘工艺流程，本文所提出的井下高效综掘控制系统整体结构如图1 所示。

图1 井下综掘智能控制系统示意图

围岩探测智能化系统，该系统主要是对井下围岩的硬度、分布情况等进行探测，为后续掘进机的智能化自动截割提供数据支撑，由于井下综掘效率的提升，因此要围岩探测智能化系统需要具有较快的探测速度和分析能力，目前常用的主要是提前根据地质探测结果，建立围岩分布三维模型，然后再利用超声波辅助探测的方式确保围岩状态探测的可靠性，探测速度快、精度高。

掘进机智能化掘进系统，掘进机的智能掘进是煤矿井下综掘智能化的核心，掘进机需要在接收到系统提供的围岩状态信息后，自动调整掘进姿态、掘进参数，实现无人化的自动截割作业[2]。为了保证掘进机在井下智能掘进的可靠性，开发了激光陀螺仪井下惯性导航，实现了掘进机在井下±0.1 m 的定位精度，开发了机器视觉监测和传感器智能监测为核心的截割姿态控制系统，实现了掘进机±0.02 mm 的姿态控制精度，满足了掘进机井下智能化掘进时的精度需求。

锚杆支护智能化控制，井下巷道支护的稳定性直接关系到井下综掘作业时的安全性，而巷道支护的效率则直接决定了井下综掘作业的效率，传统的锚杆支护采用了人工打孔、支护模式效率低、精度差，难以满足井下智能化高效综掘的需求。因此本文提出了一种新的锚杆支护智能化控制系统，以掘锚一体化钻机为核心，钻机接收智能化掘进系统的控制信号后进行智能化钻孔和取放支护锚杆，实现了井下掘锚的同步作业。

智能化运输系统，该系统主要是根据掘进机的掘进速度，自动调整物料输送设备、转运设备的运行速度，实现物料的“无堆积”化运行，消除因物料转运不及时而导致的综掘进度滞后现象。

视频监控智能化，主要是在综掘面建立起高清的视频监控系统，便于地面控制中心人员对井下综掘面各设备的运行情况进行直观地监测，提高设备运行的稳定性。由于井下的综掘环境较为复杂、能见度低，因此在通过对多种视频监测方案进行对比后，确定了以高清成像为基础，以热成像为补充的视频监控系统，确保了不同环境下视频监控的效果，井下热成像监测和传统视频监测对比结果如图2 所示[3]。

图2 不同视频监控效果对比

2 巷道围岩稳定性研究

井下巷道围岩的稳定性直接关系到智能综掘效率和安全性，我国多数煤矿井下的综掘工作面都成矩形且跨度较大，在综采扰动和矿压波动的情况下极易出现巷道变形、垮塌，影响井下智能综掘的安全性，目前多数支护方案主要是依据经验进行[4]，精确性和可靠性均较差，因此本文利用三维建模及仿真分析软件[5]，对不同巷道宽度情况下的围岩变形情况进行分析，结果如图3 所示。

图3 井下围岩变形示意图

由实际分析结果可知，当巷道的宽度大于4.5 m后顶板下沉量、底鼓量、顶底板相对移近量、两帮相对移近量都迅速增加，且根据实际观测，在顶板和底板位置均出现了明显的离层现象，当井下巷道宽度小于4.5 m 时，巷道围岩的变形量在较小的范围内，且未出现明显的离层现象，对支护的要求较低。

因此通过以上分析可知，当巷道的宽度小于4.5 m的情况下，由于巷道稳定性高，因此更便于实现井下的智能化联动综采作业；当巷道的宽度大于4.5 m时，由于巷道的稳定性变差，因此需要合理规划井下支护方案，保证巷道支护的稳定性，为实现智能化联动综采奠定基础。

3 结论

1）井下智能化高效综掘控制系统的核心是实现从围岩状态探测、掘进机智能掘进、井下智能支护、物料运输及井下综掘工作面各设备运行状态监测的全面智能化和“一个流”的综掘运行控制；

2）当巷道的宽度大于4.5 m 时，巷道的稳定性变差，需要合理规划井下支护方案，保证巷道支护的稳定性，确保智能化综掘控制的一致性。