巷道修复技术的发展趋势

王 赟

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

2018年1月18日国家统计局发布数据显示，2017年全国累计生产原煤344546万吨，同比增长3.2%。其中产煤大省内蒙古、山西、陕西和新疆4省约占总量的70%，且开采煤田深度大部分在-300米以上水平位置；其余各省份产量约占总量的30%，开采煤田深度大部分在-600米以下水平位置。随着矿井开采深度的逐年加深，今后4大产煤大省的矿井开采深度也将逐步进入-600米以下水平位置。

根据矿井开采经验和矿压分布规律可知，-300米以下开采时，巷道受矿压影响变形将会显现；当矿井开拓延伸到-800米左右，巷道在地压应力的影响下稳定性会变的越来越差，尤其是矿区内岩层节理裂隙发育、岩层呈破碎状时，变形将会更为严重。除此之外，在采动的影响下，巷道原本稳定的围岩也会表现出严重的变形收缩，收缩率达到28%～32%，造成巷道断面变小，影响通风、运输和人员行走，甚至有的巷道出现片帮、底鼓甚至冒顶等不利于矿井安全生产的问题。因此，为了保证巷道的正常使用，巷道修复技术将成为今后矿井生产中必不可少的一项技术。

1 常规巷道修复方式

目前矿井进行的巷修工作主要是卧底、刷帮、调顶、支护、补换轨枕、修复水沟等，修复的巷道都是变形十分严重且已经影响到矿井的正常生产运行。修复工艺以人工修理为主，少量配备机械化设备，具体施工流程如下：

（1）人工方式：工人手持风镐、铁锹将变形巷道破碎了的岩石敲击下来，完成刷帮、调顶作业；对于底鼓变形较为严重的地方，进行卧底作业。同时人工将废旧的锚杆、U型梁等支护器材及时拔出，并重新使用金属支架或锚杆、锚索进行支护；如发现水沟堵塞需清理干净，轨枕损坏或丢失需补齐。工作中产生的岩石、废料人工通过锹将其装到皮带机或矿车上进行清理运输。人工修复方式灵活方便，适应任何尺寸的巷道断面维修，但是存在工人劳动强度大、效率低下，甚至顶部维修时需要搭脚手架，作业人员经常处于无支护状态下工作，存在重大安全隐患。

（2）机械化方式：井下机械化巷道修复设备一般具有行走、运输、破碎、挖装和支护等功能，操作人员将其运行到预定修复地点，按照巷道所需的断面要求，完成变形巷道的卧底、刷帮、挑顶、锚护，以及废旧物料的装运转载等工作。机械化修复方式比人工修复方式效率要高，安全性要强。但是机械化修复存在设备适应性差，操作维护不太便利等局限。

常规修复都是在原有变形巷道的基础上进行的返修工作，修复完成后巷道仍然会受地压应力、采动影响发生变形，这样会造成巷道“修复-变形-修复”的恶性循环，给用户人力物力带来巨大的浪费。

2 自动化巷道修复方式

自动化巷道修复方式是采用机械设备代替人工去修理巷道，同时在设备中植入信息自动处理和自动控制功能，保证巷道修复设备的各个执行机构能按照预定的要求完成各项动作。自动化巷道修复方式中使用的巷道修复机控制和检测的灵敏度、精度以及范围比机械化修复使用的设备有大幅度的提高。自动化巷道修复的主要设备包括履带行走式破碎机、挖掘机、装载机、运输机、锚杆机、剪锚机、拔桩机及气动切割机，其中破碎机可根据巷道变形的多少自动完成岩石破碎，剪锚机或气动切割机将废旧的锚杆剪断，拔桩机将扎人岩石内的棚梁拔出，挖掘机、装载或运输机可将破碎的物料自动装载到矿车或带式转载机上并转运到外运顺槽设备上，锚杆机或架棚机可根据巷道断面自动完成锚护和架棚工作。自动化巷道修复中使用的设备具有自动监视、报警、自动诊断、自动保护等功能。工作中出现的过载、过压、过流、短路等电力故障都可以采取自动保护措施，避免和减少人身与设备事故，提高设备使用的安全性。

自动化巷道修复方式提高了施工工效，节省人力，降低了工人的劳动强度，修复中等变形条件的巷道进尺是人工的1.6倍；自动化巷道修复方式安全性高，可以近距离刷帮、挑顶，并及时支护，缩短了空頂时间，避免了作业人员近距离与围岩接触，提高了作业空间的安全性。自动化修复方式存在的问题是所有修复动作都是按照预定程序设定的，修复过程中设备缺乏分析、推理、判断、构思等功能，当巷道条件与设定情况发生变化时，自动化修复方式将不再能按要求完成修复任务。

3 智能化巷道修复方式

智能化巷道修复技术是利用计算机控制的巷道修复机模拟、延伸和扩展人的智能，感知井下工作环境，获取岩石变形情况，并使用巷道修复机上已有的工作机构完成变形巷道的修理，同时对即将发生变形的巷道进行及时有效的支护或掏槽泄压。智能化巷道修复技术应具有状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升这五大基本功能。

状态感知是通过安装在巷道横截断面内的激光测距传感器监测巷道内各监测点之间的距离变化，采集的数据通过ZigBee无线传输技术传输给智能巷修机主机，主机对当下状态的数据进行快速、准确推理与实时分析，计算出巷道岩石的实际变形量，同时向智能巷修机机械臂做出加强支护、掏槽泄压或修复改善的决策。主机得到修复任务后通过机械臂上的各个执行元件做出修复动作，同时通过安装在机身上的压力、流量、位移、温度等传感器将修复数据及时传输给主机，主机将采集到的巷道断面变化数据与巷道断面要求数据再次进行实时对比分析，并自主发出修复与停止的决策指令，直到修复任务完成。巷道修复过程中的卧底、挑顶、锚护通过主机操作和传感器测试可精准执行。此外，智能化巷道修复技术可以连续监测巷道的岩石变形量，准确地预测出岩石最大限度发挥塑性区且承载能力又不出现松动破坏的时刻，这样便为巷道赢得最佳的支护时间；各监测点也可以准确的监测到岩石应力集中点和岩石强度薄弱点，为巷道获取理想支护位置。智能化巷道修复技术要存储修复数据，同时定期要把检测到的已修复巷道数据传输给主机，主机通过对比分析修复效果后对以后的修复工艺及时调整，直到理想为止。

4 结论

随着工业智能化技术水平的与日俱增和工人职业健康理念的逐步提高，煤矿井下恶劣环境中从业人员会越来越少，智能化巷道修复作为深部矿井开采中一项不可缺少的技术，它不仅可以远程完成修复任务，而且可以对巷道变形做出精准预测，为巷道修复支护获取最佳时间和理想位置。