巷道快速掘进工艺和装备的现状与发展趋势

林家荣

（陕西陕煤黄陵矿业公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

煤炭资源作为我国的基础能源之一，对于我国经济建设的发展有着不可比拟的作用。而近些年来，煤炭更是在国民生活中占主导地位，我国的许多行业都需要煤炭资源作为支持，所以我国对于煤炭资源的需求量也在不断增大。随着多年来的不断开采，我国现有的煤炭资源在不断减少，所以目前为了满足市场的煤炭需求，就需要发展开采工艺，从开采工艺上提高开采效率。煤矿的巷道掘进工作是采矿业中应用较为广泛且重要的工艺手段，与煤矿开采的效率直接挂钩。本文就是基于煤矿巷道的掘进工艺进行研究讨论。

1.煤矿巷道快速掘进工艺现状

在进行巷道掘进的具体施工时，可以将施工任务划分为掘进和支护两个部分。掘进部分的工作主要就是挖掘、装填、运输等。目前阶段应用到矿井中的掘进设备基本上都具有掘、装、运这些功能，所用设备的自动化程度也越来越高。支护部分的工作由于具体的支护效果和工作流程不相同，所以支护工作一般分为永久支护和临时支护。临时支护就是为了防止出现顶板下沉的现象，它也是为了后续的永久支护打下基础，再进行永久支护时会将其拆除。目前应用的主要临时支护设备大概有棚式临时支护、掘进机载前探式临时支护以及掘锚机组临时支护装置等几种。永久支护就是能够长期保护顶板防止其下沉，目前应用比较广泛的就是锚杆支护与锚索支护。

1.1 后置支护快速掘进工艺

在进行巷道掘进作业的具体施工时，施工人员不应该按照既定施工计划盲目施工，而是应该让掘进作业和支护作业基于实际作业情况来调整，同时配合好临时支护与永久支护。若要提高作业完成率，这个时候为了缩短掘进时间，可以在作业空间上做出一定的让步来完善后置支护方式。在进行后置支护作业时，主要用到的设备有掘进机、支架组、锚杆钻机等，其中最主要的就是起到临时支护作用的支架组。大概的施工过程如下：使用掘进机对矿井进行挖掘，然后将挖掘的残渣用装运机清理，同时临时支架防护也搭建起来，最终运锚机完成永久支护作业来收尾，以上就是一个简单的支护作业循环流程。施工人员在工作过程中一般一边挖掘，一边清理残渣，而临时支护和永久支护也同时作业。这样大大提高了掘进效率，实现了根本的巷道快速掘进。但实际操作中，后置支护工艺也存在着些不足，大概就是以下几点：

一是对于临时支护作业所使用的支架组的结构体积相较于一般支架更大一些，这样搭建起来会影响掘进机的调度，而且在设备维护上的工作量也比较大；二是施工时整个工作面是不间断同时进行的，因此支架组可能会使顶板破碎，而这对于巷道顶板管理来说又是一项比较艰巨的任务；三是临时支护搭建的支架组对顶板的保护作用强度不会很大，这时就会造成顶板下沉现象，在后续的永久支护作业时很容易出现顶板离层的现象；四是当使用锚杆与锚索操作时，最大的问题就是支护时间与实际掘进速度基本上不能同步。若使用后置支护，其防护强度相对来说达不到要求，而且支架组需要多次对顶板进行支撑作用，所以对于那些顶板不是很稳定的巷道，这种支护方式就不是很合适。后置支护这项工艺比较适合应用在那些巷道的顶板属于比较稳定，而且地质条件比较好的施工环境，这个时候对于提高巷道的掘进效率有很大的帮助。

1.2 前置支护快速掘进工艺

前置支护工艺总的来说就是掘进施工开始阶段就将顶板永久支护的作业完成，掘一锚一与掘一锚二即其主要采用的支护方式。这项工艺在实施起来会对掘进时间有一定的影响，但是它对于矿井顶板的支护作用强度更大，在施工安全方面更加有保障。在使用前置支护快速掘进工艺时，可免去临时防护作业，或者在永久支护作业时仅仅需要借助机载临时支护设备来进行简单的支护，这样施工效率会大大加强。这项掘进工艺在现实操作中的的主要步骤如下：先使用掘进机来掘进一两个锚杆排距，然后让掘进机停止工作或适当后退，接着使用锚杆钻机来进行锚杆支护，完成以后让锚杆钻机退出现场，然后让掘进机到迎头中试着掘进一个锚杆排距或两个锚杆排距。以上就是单个的循环作业工序。在使用前置支护工艺进行快速挖掘作业时，不仅对普通的支护顶板进行了有效的防护，而且对于那些顶板不稳定容易出现破碎现象的巷道，防护效果会更好，因为掘进作业与支护作业没有办法同时进行，所以在巷道施工中，锚杆支护作业的完成速度直接决定了整个施工掘进速度，再就是这项工艺严格要求迎头空间，所以相对来说在提高掘进效率这方面并不会很出色。

2.掘进技术与装备的发展趋势

随着科技的不断发展，相关的科研人员就矿井快速掘进技术和相关装备也进行了相当多的研究。尤其是在目前机械化自动化的建设背景下，一些比较先进的科技成果已经应用到了矿井掘进作业中，即便如此我国目前的矿井掘进工作仍然存在着很多问题，这就需要根据我国煤矿的实际情况对掘进技术和相关设备进行更深一步的完善。进入“十四五”时期，世界的能源产业也将发生一系列的变化。所以对于掘进设备的研究应该放在自动化和智能化上，这样可以有效提高掘进效率以保障施工安全。

2.1 巷道掘进基础理论与方法

由于煤矿井下巷道掘进技术的施工对象是煤岩体，所以这项工程相对来说比较复杂。利用遥感、大数据、云计算等智能化手段对所要开采的煤矿区域进行勘测分析，选择合适的工艺和设备；提高锚杆支护效果、加强围岩条件的在线监测水平，这样可以实时调整工艺参数，降低了掘进工作面支护密度的同时还保障了掘进的安全性，把支护任务尽可能的留给后期的钻机施工来完成，这样掘锚平行作业率将会得到科学的提高，与此同时，还应该对多物理场耦合作用下围岩强化机理进行研究，搭建相应的耦合作用模型（包括临时支护、永久支护、截割煤岩）为后期永久支护的效果评价和维护优化提供相应的参考。

2.2 智能化和成套化的高端装备

煤炭生产行业在经济科技日新月异的今天对于设备上的选择更趋于智能化和成套化，而且在发展中供不应求。当前的掘进设备已经不断地将信息化、自动化、远程遥控和人机交互等技术应用其中，设备的智能水平日益增强，煤炭掘进系统所搭建的集中控制平台可以实现自动顺序控制、高级诊断、积极性能监测等功能，能够使整个掘进系统中各个设备都处在一个高效低耗的最优状态，掘进机自动截割控制系统可以使得截割断面在掘进过程中自动成形。

在倡导节约能源绿色发展的时代背景下，矿井也要求绿色安全。所以如今的掘进系统发展方向正靠拢功能集成化及装备成套化。而所谓装备成套化，即设备在快速掘进作业中时完成掘-支-运一体化，不过在掘-探一体化、智能锚钻及智能控制等方面表现还不够出色，有待提高。全断面掘进工作面超前探测这个问题的解决需要依靠掘-锚-探一体化技术，为实现无人掘进工作我们必须大力发展自动锚杆钻机和掘锚一体机技术；多台机器自动跟进及安全预警的实现离不开超宽带定位技术的发展；开展掘进工作面数据感知、交互、上传和诊断等技术的研究；无线通信网络的全覆盖实现了视频、语音、工业数据等复杂信息的高速传输；掘进系统地面监控中心的建设步伐一刻也不能停歇，掘进工作面人、机、环境的集中管控早日实现，应用大数据和云计算等技术实现数据的自动存储、分析和判断。

2.3 掘进机器人的研制

煤矿井下的环境比较恶劣，安全隐患数不胜数，施工安全备受威胁，格外是在矿井中那些巷道顶板易破碎且瓦斯含量比较高的。因此，掘进机器人的出现是时代所需，这样巷道掘进技术不仅会向智能化的方向发展，而且有效地实现掘进设备可以远程操控或无人操控的功能，取代施工人员到恶劣的矿井环境中进行掘进作业。，国家煤矿安全监察局在2019年发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对应用到煤矿资源开采的机器人提出了明确的条例。掘进机器人的首先要具备一定的自主决策能力，与此同时这些功能也不能少，如具备导航、定位、各种参数采集、状态监测和故障预警等，这样施工人员可以精准定位掘进机器，同时也实现了对掘进环境进行一个实时监测。而临时支护机器人主要就是具备对巷道周围的围岩状态的自主感知能力，与此同时，还应该具备自主移动定位、智能控制支撑力强度、智能调整支撑姿态、多个机器人可以相互协作和远程干预等功能。钻锚机器人应该由锚杆机、锚杆仓和智能控制系统等部分组成。其主要功能就是实现锚杆间排距的自动定位，钻锚机器人应该可以自主实现或者遥控实现钻孔、装卸锚杆和锚杆锁定等一系列功能，这样对巷道顶板的快速支护就不成问题。掘进机器人领域是目前国内外研究的重点，尤其是锚杆锚索支护机器人、掘进机器人和运输机器人。在矿井中从事煤矿资源开采的工作人员，大约有40%左右是进行的掘进作业。掘进作业的施工环境比较恶劣，设备和技术水平相对较低，所以施工人员的工作强度就比较大。

3.结语

总而言之，相关施工人员必须从作业的矿井实际情况考虑，这样才能从根本上有效提高矿井巷道掘进效率，从而研发出适合不同矿井巷道的掘进工艺，然后更加科学专业地分配管理掘进时间与支护时间，让掘进施工的效率得到最大化的提升，进而实现矿井巷道的快速掘进，最终企业获得更多的经济收益。