我国煤巷快速掘进作业线现状分析

2023-07-04余长宏宁掌玄陈涛涛刘晓杰

山西大同大学学报(自然科学版) 2023年3期

余长宏，宁掌玄，陈涛涛，刘晓杰，周豪

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

2022 年8 月，科技部等九部委联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030 年）》,要求我国煤矿企业加快发展煤炭能源绿色开采技术。此外，中国煤炭工业协会发布的《2020 煤炭行业发展年度报告》指出，到“十四五”末期，全国煤矿数量将压缩至4 000 处左右。

截止2021 年底，我国煤矿巷道掘进工作面的机械化程度相较于采煤工作面低了约35.95%，为此，煤矿企业投入了三倍于综采队的人员进行掘进作业。尽管如此，巷道掘进平均月进尺仍不足综采平均月消耗巷道进尺的三分之一。在采用掘进机作业线的巷道掘进中，割煤作业的时间仅占一个循环作业时间的20%～30%，支护作业的时间占比却大于二分之一，存在着严重的掘支失衡问题。为此，现介绍巷道快速掘进作业线的施工现状，总结影响巷道快速掘进的因素及巷道快速掘进作业线的发展方向。

1 现有快速掘进作业线

煤巷掘进就是在煤层中通过掘进设备将部分煤体截割下来，形成一条具有特定功能的巷道，并通过运输设备将截割下来的煤体运送到巷道外，接着对新掘进的巷道进行支护的过程。煤矿巷道快速掘进作业线是指由巷道掘进各工序应用到的施工设备所组成的机械化配套系统。

1.1 悬臂式掘进机作业线

悬臂式掘进机作业线目前是我国煤巷应用最为普遍的一种作业线，由悬臂式掘进机、临时支护装置等设备组成，工作特点为：①可适应巷道断层和起伏情况；②可适应普氏系数f＜8 的巷道掘进；③掘进机稳定性强，维修周期较短；④临时支护工序繁琐，且掘支不能平行作业；⑤工序转换时间长，掘进速度慢，劳动强度大。

悬臂式掘进机按截割功率可分为轻型、中型和重型三类，其中煤巷掘进中应用最多的为中型悬臂式掘进机，且多数被加装了临时支护装置和锚杆钻机。现阶段，悬臂式掘进机的研究集中在智能截割技术、远程智能监控技术、智能导航技术和智能协同控制技术四个方面[1]。

悬臂式掘进机作业线主要有两种：悬臂式掘进机+机载临时支架作业线（下面简称掘进机机载支护作业线）和悬臂式掘进机+自移式临时支架作业线（下面简称掘进机自移支护作业线）。

（1）掘进机机载支护作业线，是目前我国煤巷应用最广泛的作业线，如图1、2。2014 年，刘建华在EBJ-120TΡ 型掘进机的基础上研制了可折叠伸缩的机载式临时支架[2]。2022 年，金峰等对机载临时支架进行改进设计，增加了前探支护功能和锚网吸附结构[3]。

图1 掘进机机载支护作业线现场布置示意图

图2 机载临时支架结构示意图

（2）掘进机自移支护作业线，如图3、4。自移式临时支架可分为主、副支架，支护时，主、副支架同时支撑巷道；行走时，主（副）支架收缩，副（主）支架继续支撑巷道，主（副）支架在液压油缸的推动下实现前移。杨东辉等在2015 年采用框架滑移交替迈步结构设计了一种新型迈步式临时支架，同时设计了上网机构，实现了自动铺网[4]。2021 年，王东杰等设计了一种适用于自移式临时支架的胡克铰，分散了铰接处的应力分布[5]。

图3 掘进机自移支护作业线现场布置示意图

图4 自移式临时支架结构示意图

1.2 连续采煤机作业线

连续采煤机作业线由连续采煤机、锚杆台车等设备组成，通过连续采煤机和锚杆台车反复交换作业位置来实现掘支平行作业，如图5。连续采煤机在一条巷道中按照先“切槽”后“采垛”的方式掘进，锚杆台车则在另外一条巷道中进行支护。掘进一段距离后，连续采煤机还需要开掘两条巷道间的联络巷。

图5 连续采煤机工艺现场布置简图

连续采煤机作业线的工作特点：①适用于双巷或多巷掘进；②需要开拓联络巷，增加了掘进成本；③存在反复支撑碾压顶底板现象；④掘支可平行作业；⑤只适用于普氏系数f＜4的煤巷掘进。

2017 年，小松矿业公司推出14CM30 型连采机，首次应用在波兰的Budryk 煤矿401 煤层，最高推进速度为27 m/min[6-7]。近年来，我国连续采煤机的研制取得了一定的成功，先后突破了高可靠性重载截割齿轮箱、千伏交流变频牵引调速技术和连续采煤机导航定位技术等一系列技术难题。2021 年，神东煤炭集团等多家厂家联合研发的智能连采机在大柳塔煤矿投入运行，该机由工作面集控中心、5G数据传输系统、激光导引+组合惯导、煤岩分界辅助识别以及自动控制系统[8]共5部分组成。

1.3 掘锚一体机作业线

掘锚一体机作业线是最具发展前景的一种作业线，主要设备为掘锚一体机。掘锚一体机作业线是在一个作业循环内，掘锚一体机通过切割滚筒进行掘进作业，同时由机载锚杆钻机进行低密度的锚杆、锚索支护作业，由后续的锚杆钻车进行补强支护作业，如此循环往复完成一次成巷，如图6。

图6 掘锚一体机作业线现场布置示意图

掘锚一体机作业线的工作特点：①功能集成度高，故障率高，维修周期长；②主要应用在大断面单巷掘进，且巷道成型质量好；③掘锚平行作业，但支护时间大于割煤时间；④接地比压大；⑤作业线的协调性好，但灵活度低，调机困难；⑥只适用于普氏系数f＜4的煤巷掘进。

在研发之初，掘锚一体机是为了实现全宽一次成巷和掘支平行作业。由于掘锚一体机的适应性差等原因，目前仅在部分围岩稳定性较高的煤巷掘进中进行了试用。2021 年，王国法团队研发了基于掘锚一体机作业线的远程控制智能快速掘进系统，并且攻克了高精度自主导航技术，实现了“全息”感知与场景再现[9]。

2 现有快速掘进作业线应用情况

图7、8 为依据表1[10-17]绘制的柱形图。图7 可知，掘锚一体机作业线的平均月掘进量为900.75 m，连续采煤机作业线的平均月掘进量为1 042.25 m，悬臂式掘进机作业线的平均月掘进量仅为349.25 m，这三种作业线的平均月掘进量大致反映了我国现阶段的掘进水平。从柱状图分布可以看出，连续采煤机作业线和掘锚一体机作业线的掘进速度普遍高于悬臂式掘进机作业线的掘进速度。此外，悬臂式掘进机作业线的平均月掘进量较掘锚一体机作业线低了约61.23%，较连续采煤机作业线低了约66.49%。由此可知，掘进设备的智能化提升可以极大提高掘进速度。

表1 我国16处大型矿井统计表

图7 煤矿巷道月掘进量柱形图

图8 可知，在作业线相同时，巷道月掘进实体煤岩量和临时支护装置的有效控顶距成正比关系。由此可知，加大临时支护装置的有效控顶距可以提升巷道掘进速度。自移式临时支架的平均有效控顶距是4.50 m，比机载式临时支架的平均有效控顶距多了约32.35%。掘进机自移支护作业线的平均月掘进实体煤岩量为8 786.50 m3，比掘进机机载支护作业线的平均月掘进实体煤岩量多了约41.56%。这表明自移式临时支架的有效空顶距普遍比机载式临时支架的有效空顶距大，同时也再次表明有效空顶距的增加有利于提升巷道掘进速度。

图8 巷道月掘进煤岩量与有效控顶距柱状-点线图

通过前文的分析，发现影响煤巷快速掘进的因素可以概括为：

（1）临时支架的有效控顶距。临时支架有效控顶距的大小决定了作业线循环进尺的大小，进而影响了巷道的掘进速度。此外，掘进机作业线想要实现掘支平行作业就必须加大临时支架的有效控顶距。

（2）新型掘进装备的研发及其智能化。连续采煤机作业线和掘锚一体机作业线的掘进速度大约是悬臂式掘进机作业线的2～3 倍，表明新型掘进设备的研发是非常有意义的。但表1中巴彦高勒煤矿、双欣煤矿、神东公司上湾煤矿都位于内蒙古鄂尔多斯，柠条塔矿井和神东公司大柳塔煤矿都位于陕西神木，并且他们都属于神府-东胜煤田。这表明，掘锚一体机和连续采煤机的适应性、稳定性和经济性还有待提升，许多关键性技术还有待科研攻关。

3 未来发展方向

煤矿掘进装备和支护装备的研发与施工工艺的优化能够有效促进煤矿巷道的快速掘进，解决采掘失衡和掘支失衡问题。因此，“十四五”期间，国家和企业将会加快提升掘进工作面的机械化水平。

（1）长距离临时支护技术。长距离临时支护技术是在保证巷道围岩稳定的情况下，扩大临时支护装置控顶距的技术，是悬臂式掘进机作业线实现快速掘进的关键因素。该技术有两种发展方向：①基于机载临时支架，向着掘支锚一体化方向发展，实现悬臂式掘进机作业线的掘支平行作业，重难点是如何在不影响掘进作业的前提下大幅提升机载临时支架的支护性能；②基于自移式临时支架，向着长距离全断面支护方向发展，实现悬臂式掘进机作业线的掘支平行作业，重难点是实现支架的智能化前移。现阶段，自移式临时支架的有效控顶距普遍大于机载式临时支架的有效控顶距。由此可见，基于自移式临时支架的长距离临时支护技术有望提前实现悬臂式掘进机作业线的掘支平行作业。

（2）掘锚一体化技术。掘锚一体化技术是将掘进作业和打锚杆作业集成在一台设备上的技术。该技术目前存在的核心问题是适应性差，需要提升掘进环节和锚护环节的智能化程度。通过智能化研究，缩小各个构件的体积和质量，优化锚护环节的作业轨迹，加强各个工艺环节的衔接，以此来增加掘锚一体化技术的适应性。掘锚一体机将会是未来掘进作业的主要设备，而探、掘、锚、运一体化必将是掘锚一体机的发展方向。

（3）掘进机智能导航技术。掘进机智能导航技术是指通过视觉、激光、无线电或传感器等元器件检测掘进机的空间位姿信息，并指导掘进机完成前进动作的技术。目前，该技术的实现方法主要有五种：机器视觉、激光测距、全站仪、超带宽、惯性导航技术。掘进机智能导航技术可以解决掘进机的跑偏问题，从而提高掘进效率。未来可能主要从两个方面进行攻关研究：①将五种方法进行有效组合，实现优势互补，进而实心掘进机的智能导航，其核心问题高性能组合算法和组合方式的研发；②集中攻克惯性导航技术的误差不收敛问题，提升MEMS 惯性传感器的性能。