煤矿井下巷道快速掘进工艺优化研究

煤矿井下巷道快速掘进工艺优化研究

金兴旭

开滦能源化工股份有限公司吕家坨矿业分公司  河北省唐山市  063000

摘要：随着人们生活水平的提高，对煤矿资源需求量不断增加。现阶段，煤矿井下巷道掘进速度是影响综采作业效率的重要因素之一。为提高井下巷道掘进速度，改进当前井下巷道掘进空间不足、掘进效率低下的现状，有必要对掘进工艺进行优化，完善工艺流程。本文通过分析影响井下巷道掘进效率的主要因素，针对性地提出巷道快速掘进工艺流程优化、作业设备和支护方式的结构优化、通风系统优化等措施，有助于提高井下巷道掘进工作效率，同时起到减小顶板下沉量、井下巷道掘进面的粉尘质量浓度等显著效果，对提升煤矿井下巷道掘进安全具有十分重要的意义。

关键词：井下巷道；快速掘进；智能化；工艺优化

引言

随着中国“双碳”目标的提出，煤矿企业在逐步整合，煤矿的规模也在逐渐缩小，但煤炭仍然是当前工业发展所需要的重要能源之一，所以各大煤矿的开采效率都在逐年提高。随着矿井综合机械化开采的不断发展，矿井掘进巷道的使用量逐年增加，但目前矿井的掘进效率仍不能完全适应矿井作业的需要。

1工程概况

从煤矿当前地质条件分析来看，当前主采的3#煤层水文地质条件相对简单，煤层结构也较为简单。从煤层顶板和底板岩性来看，顶板主要为长石砂岩、石英砂岩，底板主要是砂岩，顶板和底板岩性整体稳定。从抽取的岩芯来看，整体较为完整，裂隙发育不明显。从煤巷掘进情况来看，由于选择使用的是传统的支护方式，不仅自动化程度偏低，同时，劳动强度相对偏大，安全风险较高。

2煤矿井下巷道快速掘进工艺优化

2.1巷道掘进面通风作业的优化

正常情况下煤矿掘进面中扬灰大、粉尘浓度高，肉眼能见度严重受限，不但影响了井下巷道掘进效率，而且灰尘粉尘对井下作业人员的呼吸系统健康也造成了极大的伤害，因此亟须优化巷道掘进面的通风作业装置，提高井下作业环境的空气质量以及能见度，优化井下作业人员作业环境。在对比了多种通风装置设施和方式之后，采取了长压短抽的通风方式对局部空气质量进行优化。此外，还在掘进面中增设了干式除尘装备。该除尘装备的运行功率可随时根据掘进面的工作面积以及空气中的粉尘浓度进行灵活智能调整，通风量需不小于900m3/min。通过对井下掘进作业环境的粉尘质量浓度进行对比可得出，掘进作业过程中掘进面优化后的粉尘质量浓度由128.6mg/m3下降到60.96mg/m3，降低了52.6%。通过对巷道掘进作业速度优化前后的对比可得出，巷道掘进作业的日进尺优化后由58.2m增大到65.5m，提升了12.8%。煤矿井下巷道的作业效率和安全性明显提高。目前该新式巷道快速掘进通风设施已经在多个煤矿试点运行，取得了良好的试行效果。

2.2掘锚机快速掘进系统

目前，掘进机在煤巷掘进中得到了广泛应用，它的主要特点是：本机配备了一台锚杆钻机，在掘进过程中一次成巷，也就是说，在1个掘进周期内，利用进给油缸推进切削机械进刀，同时在主机架上安装了一台锚杆，在完成了掘进和支护工作后，整个系统继续向前，进入下一轮工作周期。这种快速掘进系统的后辅助装备有很多种，通常是与连头车、桥式转载机、梭式和破碎机相匹配，这两种后辅助装置结构简单、造价低廉，是早期煤巷单巷掘进的主要技术。近几年来，经过多年的摸索与实践，根据不同的围岩情况，国内煤矿装备开发出了各种后辅助装备。在这种情况下，在中等稳定的围岩环境中采用了一种新型的快速掘进技术，并在50多个煤巷中得到了广泛应用。掘锚机快速掘进系统采用2台设备分工合作，在掘进过程中，采用自带的锚杆钻具进行低密度的强力锚杆支护，以保证在一定的时限内对顶板和边坡进行有效控制；后续的配套设备采用锚杆转轮，同时进行固定支护，形成分段支护，以提高支护的效率，提升掘进与支护并行工作的效率。

2.3巷道支护结构优化

结合井下巷道的实际情况，由于采用了倒梯形的巷道断面结构，使下部截面变窄，因此在经过多次试验验证后提出了一种新的锚网索联合巷道断面支护结构。在巷道顶板处横向排列设置7组直径为22mm，长度为2400mm的锚杆，每个锚杆之间的距离设置为750mm。为了保证巷道顶部两侧在掘进过程中的稳定性，在巷中北侧约500mm的位置各设置一组直径为22mm，长度为8500mm的锚索，每组锚索共3个，每个之间的间距为1800mm。在巷道的两帮各设置5组锚杆，前4组采用直径为20mm长度为2m的高强度螺纹钢锚杆，第5组则采用直径为20mm长度为1m的高强度螺纹钢锚杆，帮锚杆之间的距离设置为900mm。常规锚索支护设置完成后则从顶板向下与顶板呈30°角的位置在巷道内设置一排侧拉锚索，保证倒梯形截面联合支护的稳定性。

2.4煤矿巷道掘进远程智能监控技术

掘进工作面智能化程度与掘进机远程监控技术有着十分密切的联系，许多学者针对煤矿综掘工作面悬臂式掘进机远程监控存在实时数据采集传输难、控制系统适用性差的问题进行了研究。基于可编程计算机、工业计算机、Linux操作系统与矿井环网，提出了一种适用于悬臂式掘进机的远程监控系统，该系统在实际应用中具有良好的可靠性、适应性。基于机载可编程控制器、机载传感系统、视频监控系统及工控机，设计了一种用于对掘进工作面悬臂式掘进机的实际状态与参数进行实时监控的系统，并构建了一种用于对各种掘进机位姿检测精度进行验证的高精度掘进机位姿检测验证系统。提出了一种基于虚拟现实技术的煤矿掘进机器人虚拟仿真与远程控制系统，设计了一种基于DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）的悬臂式掘进机控制系统，对掘进机实际状态进行数据收集并进行计算，与外部设备进行实时信息传输，并将数字孪生驱动与虚拟仿真技术融合，结合悬臂式掘进机模型，设计了数字孪生驱动的悬臂式掘进机智能操控系统，为煤矿巷道掘进工作面掘进机智能远程监测与控制技术的研究提供了极具创新意义的思路。基于5G无线网络或WiFi 连接技术，研究了综掘机可视化远控智能控制技术，对实现巷道智能化掘进可视化操作有着重要意义。巷道掘进远程智能监控技术已从远程实时监测向远程可视化监控方向发展，随着网络通信技术的不断发展，矿井网络也由比较低端的矿井环网向5G无线网络方向逐渐过渡，这对煤矿巷道远程智能实时监控有着重要意义。近年来，虚拟仿真技术的发展为巷道掘进远程可视化监控系统的研究带来了巨大帮助，将井下掘进巷道的情况可视化地展现在地面，并将控制信号反馈到掘进工作面，对掘进工作面掘进机组进行远程同步控制，成为当前巷道掘进远程监控智能化的重要标志。

结语

对巷道掘进工艺的改进主要体现在优化进刀、割煤、落煤、运煤方式以及在最上侧留下约180mm的圆弧过渡段。应根据巷道顶板及围岩状况，选择适当的进刀方向和方式，解决地质情况复杂巷道顶板受压过大、运煤方式效率低且不连续等难题。通过对新型锚杆钻车的钻车机身结构优化，解决了传统钻车车身结构体积大、无法实现锚护作业一体的难点，显著提高了井下作业支护效率和设备运行灵活性。新型防护顶棚能跟随掘锚机和锚杆钻车的运行自行工作移动，每日大约节省了60min的检修支护用时，保障了巷道掘进过程中作业人员的生命安全，有利于施工企业增产节能、提升效率。

参考文献

［1］王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向［J］.煤炭科学技术，2019，47(1)：1-10.

［2］马长乐，袁龙飞，张羽，等.大断面煤巷快速掘进施工工艺［J］.煤矿安全，2013，44(5)：98-100.