浅谈煤矿巷道快速掘进技术与装备选型

卢团部，巩孔正，李 军，李晓宁

（西安煤矿机械有限公司，陕西 西安 710201）

引言

煤矿采掘是矿井生产工作中的重要环节，我国90%的煤矿为井下煤矿，产能占比80%，因此需要在井下开掘大量巷道。但通过当前煤矿开采施工工作的落实情况可以发现，采掘失衡的问题依然较为突出与普遍，“掘的慢、采的快”对掘进与开采作业的优化发展带来了不利影响。所以提升掘进水平和质量安全是稳定煤矿生产的基础，掘进作为采煤的先决条件，其性能、产量、指标对煤矿持续生产具有重要意义。要切实提高现场采掘效率，还需积极引入并应用高效的快速掘进技术以及先进的成套装备。

1 快掘技术及装备发展对策

发展掘锚一体化技术及快速掘进成套装备是实现煤矿安全高效生产必然的选择，主要发展对策如下：

1）进一步深入研究掘进工艺和支护工艺，实现掘进与锚护平行作业，有效提高掘进效率。

2）针对不同煤矿地质条件，集成并研发先进的掘进技术和装备，实现高效率、高可靠、高质量掘进。

3）借助于信息化、智能化等高新技术，研发快速掘进智能机器人系统，实现掘进系统高效、智能掘进。

2 快速掘进技术及装备选型

快速掘进系统重点以装备为中心，围绕不同形式的掘进类型，进行系统的升级、优化和组合[1]。通过研究多维度同步支护技术、工序自动化和连续化作业技术，统筹掘进工作面作业流程管理，针对不同地质条件，结合开掘巷道实际情况，创新构建不同形式的掘进、支护、运输及除尘等工序协同作业线，实现掘支平行作业，杜绝空顶作业，有效提高矿井掘进效率的需求。我公司研发了多种煤矿智能化快速掘进系统，主要包括纵轴式掘锚成套技术装备、连续采煤机成套技术装备、横轴式快速掘锚成套装备、护盾式智能掘进机器人系统、锚运破+转载机+自移机尾以及煤矿用智能自移式皮带机，同时配套相应智能管控系统。

煤矿快速掘进系统是一种新型的智能化机械成套装备，在设计与构造方面引入了对计算机、信息技术等智能化技术的应用，在煤层地质构造不同的情况下，其使用效果与采用的技术工法也存在较大差异。

1）若煤层地质构造较为简单，且整体结构趋于完整，矿井具有较高的顶底板条件，一般是优先选用单巷掘进施工，可选用横轴式快速掘锚成套装备，这套装备集一次成巷、掘锚同步、全宽伸缩、单链摆动、负压除尘、智能导向、数字截割和远程操控八大功能于一体，通过优化单循环掘进和支护时间，在保证连续作业安全可靠的前提下，实现了掘、支、运同步作业。主要适用于煤矿顶底板稳定大断面近水平全煤快速掘进巷道的地质条件。利用掘锚一体机及相关的配套设备等较为成熟的技术工艺，将智能控制、自主导航等现代化的技术应用到现场作业过程中，可大幅提高煤矿掘进作业速度。

2）对于近水平大断面煤层，内部构造相对稳定且顶板的稳定度趋于中等，片帮与夹矸共存的巷道地质条件，可引入护盾式智能掘进机器人系统[2]。护盾式智能掘进机器人系统主要是由护盾式掘进机器人、临时支护机器人I&II、钻锚机器人、锚网运输机器人、电液控平台、运输及通风除尘系统与监测监控系统等部分组成。这一套系统集掘锚同步、超前探放、智能导向、自主纠偏、护盾支撑、程序截割、自动上网、虚实同步、远程操控和一键启停十大功能于一体，在护盾保护的状态下进行截割、支护作业，且掘进和锚固平行作业，是集掘、支、锚于一体的新型掘进系统。系统主要是针对陕北、内蒙等高产、高效矿井开发设计，通过护盾式与后配套结合的作业形式，将护盾予以适当增加，并在护盾的后侧位置上放置适宜的锚护装备，这样可以为支护工序的自动化操作提供便利条件。若近水平煤层存在较大的断面，以及半径较大的巷道转弯位置，则采用此种设备与技术是较为适宜的。若场地的工作面较小，则并不适合对此类快速掘进设备的应用。

3）对于近水平煤层，其内部构造相对简单，且顶板的稳定度趋于中等。若选用单巷掘进施工工艺，可选用纵轴式掘锚成套技术装备或选用护盾式智能掘进机机器人系与后配套设备等结合起来，提高掘进与支护等各个作业环节的技术水平。若是选用双巷掘进的技术工法，则主要涉及对连续采煤机成套技术装备的使用，多数用于煤巷快速掘进和边角煤回收，后配套梭车进行间断式运输，与锚杆钻车交替进行掘进和支护，月进尺可达600～1 200 m。特别适用于在顶底板稳定，允许有一定空顶距，断面为矩形的全煤巷道中使用，为掘进和支护施工同时进行提供可靠保障。

4）若矿井的条件较为一般，围岩强度不高，且构造较为复杂，缺乏完整性，施工人员应采用主动支护的处理方法，确保后续掘进作业得以顺利进行。对于此类矿井组织开展掘进与支护作业，关键在于确保锚护处理的及时性。巷道断面截割形成后，应在第一时间内进行快速支护作业，确保预应力的施加与围岩的实际情况相适宜，对于此类单掘进巷道，对于大部分施工企业来说，一般会选择使用纵轴式掘锚成套技术装备进行掘进作业[3]。可实现对掘进工作面迎头处巷道顶板、侧帮锚杆及锚索支护的快速机械化作业。其结构紧凑，空间利用率高，相比常规掘进效率提高30%～50%。可根据巷道实际地质条件选型，主要用于煤岩硬度≤f8 的煤巷、半煤岩以及软岩的巷道掘进施工。这样的作业方式造价成本较低，便于企业控制整个掘进施工的造价成本。

3 快速掘进关键技术发展展望

掘进技术滞后采煤技术，主要原因在于掘进工作面所面临的环境。掘进工作面作业条件有限，不太容易实现大型机械的大规模机械化连续作业，掘进作业工序繁琐，常常因各工艺环节配套不完善、装备效能发挥不充分，特别是高密度锚杆锚索支护作业速度慢，耗费时间较长，限制了掘进速度的提升。煤矿巷道快速掘进系统朝着自动化、智能化方向发展，关键技术主要包括：快速掘进机械系统具备高质量、高效率、高可靠性和高适应性的技术、截割工艺优化技术、成套装备智能协同控制技术、智能锚护技术、智能截割技术、智能运输技术以及设备全生命周期维护等[4]。

4 结语

本文旨在探索当前影响我国煤矿巷道掘进过程中的集探、掘、支、锚、运及除尘等组成的快速掘进装备适应性配套选型问题。针对不同地质条件，文中提出不同形式的快速掘进装备配套选型，各个组成设备有序、高效、通畅地衔接。因矿施策，一矿一策，将快速掘进技术应用到煤矿实际采掘工作中，有利于提升掘进装备的开机率，进一步提高煤矿巷道的掘进效率、改善巷道支护质量，改善工作面迎头的安全性、净化井下环境等。