快速掘进技术的优化与应用

张谦文

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公， 山西 寿阳 045400）

随着以采煤机为代表的全自动化的综采设备不断投入应用，煤矿井下的综采作业效率不断提升。目前巷道井下掘进能力不足，已经限制了综采作业效率的进一步提升，经过分析，井下巷道掘进技术落后、支护方案繁琐、自动化程度低等是影响巷道掘进效率的关键因素。为了进一步提高井下综采作业的经济性，本文结合煤矿井下实际情况，提出了一种新型快速掘进技术，该技术方案采用了快速临时支护设备、钢网架自动拖网机构及智能掘进设备，分别从缩短临时支护时间、提高锚网支护效率及提升掘进设备运行自动化和稳定化程度方面入手，实现了对井下巷道掘进的优化，显著提升煤矿井下巷道掘进效率和经济性，根据实际应用表明采用新的快速掘进技术后，能够将煤矿井下的巷道掘进效率提升17.4%以上，具有极大的应用和推广价值。

1 井下快速临时支护方案

井下巷道在高速掘进的过程中，巷道井下支护是确保掘进安全的核心，特别是在复杂地质条件下，井下巷道的围岩稳定性差，在掘进过程中容易出现坍塌等事故，因此通常采用增加支护结构，提高支护安全系数来满足支护稳定性需求。但该技术方案虽然稳定性好，但支护作业工作量大、支护材料成本高、支护效率低，支护时间占据了整个巷道掘进作业的40%以上，严重影响了掘进效率。因此如何在确保支护安全的前提下，降低支护周期和成本，便成了井下支护方案优化的核心。

本文提出了一种新的井下巷道掘进快速临时支护方案，其采用了顶板护棚临时支护结构，满足在巷道掘进过程中的临时支护，同时可以在支护结构的下方形成安全的人行通道，有效地防止在掘进过程中的顶板冒落事故，同时采用了标准化的临时支护结构，到达支护位置后直接通过液压机构顶升到支护位置，形成支护结构，随着巷道掘进作业的进行，可将临时支护结构转移到新的支护点上进行重复使用，既能够降低井下巷道支护时间又能够降低支护成本，该顶板护棚临时支护结构如1 所示[1]。

图1 顶板护棚临时支护结构示意图

由图1 可知，带临时支护结构采用了液压顶升控制方案，支护体的四个支柱采用了顶升液压缸结构，油缸的连接位置均为销接，顶部护顶支护面积达到了5 m2，支撑强度高，稳定性好，该临时支护结构对井下复杂地质条件适应性好、稳定性高，能够显著提升煤矿井下巷道掘进作业的稳定性和可靠性。

2 钢网架自动拖网

巷道掘进过程中为了避免顶板碎石垮落导致出现人员伤亡事故，通常会在巷道内进行拖网上钢带处理，通常采用人工操作方式，不仅劳动强度大而且支护效率也极其低下，严重影响了上钢带的进度，因此本文提出了一种新的钢网架自动拖网机构，实现了自动上网控制。该拖网架主要由驱动电机和滑道、拖动机构组成，工作时将拖网挂在拖网架上，驱动电机控制拖网架在拖动滑轨内运行，实现自动拖网上钢带，根据在煤矿井下的实际测试可知，铺设10 m长的护网钢带，采用人工支护控制时需要5 人配合作业，3 h 完成，当采用全新的钢网架自动拖网机构后可以实现2 人操作1 h 完成，总体施工效率提升了约7.5 倍，而且能够实现一次到位，支护质量和安全性得到了极大的提升，该拖网架机构的整体结构如图2 所示[2]。

图2 自动拖网架机构

3 智能掘进

传统掘进方案多采用人工掘进控制，在截割作业过程中依赖于人工操作经验和井下掘进作业环境，按照“蛇形”截割路径进行截割，经常出现截割偏移，导致巷道截割成型质量差，反复截割修正的情况，极大的影响了煤矿井下巷道掘进作业效率和稳定性，因此根据长期井下截割作业经验，提出了一种新型的“回型”截割方案，该方案截割路径规则，能够实现采煤机的智能化截割作业[3]，避免了在掘进时的反复修正，提高巷道的一次成型质量，该回字形截割路径规划如图3 所示，根据井下巷道成型要求的不同，截割作业方式可分为“正回”和“逆回”两种方案。

为了适应“回型”截割作业路径规划方案，掘进机采用了记忆截割规划方案，在掘进作业时掘进机控制铲板首先扫清浮煤，然后开始进刀，待截割机构完全切入岩壁后停止进刀，截割臂则开始从一端向另一端进行掏槽作业，然后垂直进行截割，按预先设定的“回型”截割路径进行巷道掘进[4]，实现对巷道的一次成型，该掘进方式的优点在于从巷道外侧切入，在截割巷道内侧截面时慢速截割，保证巷道截面质量，截面成型后进入到高速截割运动中，从而在确保巷道截面成型质量的前提下提升巷道掘进效率，根据实际应用表明采用智能掘进方案，能够实现巷道截面一次截割成型，而且巷道截割成型效率提升13%以上。

图3 回字形截割路径示意图

根据在煤矿井下的实际验证，通过采用综合快速掘进技术后，巷道的综合成型效率提升了17.4%以上，实现了绝大多数地形条件下的巷道一次成型作业，巷道成型质量高，稳定性好。

4 结论

针对目前煤矿井下巷道掘进效率低、成型质量差，无法满足日益增长的煤矿综采作业效率需求的现状，本文提出了一种新的井下快速掘进技术方案，其采用了快速临时支护设备、钢网架自动拖网机构及智能掘进设备，能够有效地提升煤矿井下巷道掘进效率，根据实际分析表明：

1）临时支护结构对井下复杂地质条件适应性好、稳定性高，能够显著提升煤矿井下巷道掘进作业的稳定性和可靠性。

2）钢网架自动拖网控制方案，总体施工效率比人工作业提升7.5 倍，而且能够实现一次到位，支护质量和安全性得到了极大地提升。

3）智能掘进方案，采用记忆截割控制和“回型”截割控制方案，能够实现巷道截面一次截割成型，而且巷道截割成型效率提升13%以上。

4）采用综合快速掘进技术后，巷道的综合成型效率提升了17.4%以上，实现了绝大多数地形条件下的巷道一次成型作业，巷道成型质量高，稳定性好。