林家榮

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

煤炭資源作為我國的基礎(chǔ)能源之一，對于我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展有著不可比擬的作用。而近些年來，煤炭更是在國民生活中占主導(dǎo)地位，我國的許多行業(yè)都需要煤炭資源作為支持，所以我國對于煤炭資源的需求量也在不斷增大。隨著多年來的不斷開采，我國現(xiàn)有的煤炭資源在不斷減少，所以目前為了滿足市場的煤炭需求，就需要發(fā)展開采工藝，從開采工藝上提高開采效率。煤礦的巷道掘進(jìn)工作是采礦業(yè)中應(yīng)用較為廣泛且重要的工藝手段，與煤礦開采的效率直接掛鉤。本文就是基于煤礦巷道的掘進(jìn)工藝進(jìn)行研究討論。

1.煤礦巷道快速掘進(jìn)工藝現(xiàn)狀

在進(jìn)行巷道掘進(jìn)的具體施工時，可以將施工任務(wù)劃分為掘進(jìn)和支護(hù)兩個部分。掘進(jìn)部分的工作主要就是挖掘、裝填、運(yùn)輸?shù)?。目前階段應(yīng)用到礦井中的掘進(jìn)設(shè)備基本上都具有掘、裝、運(yùn)這些功能，所用設(shè)備的自動化程度也越來越高。支護(hù)部分的工作由于具體的支護(hù)效果和工作流程不相同，所以支護(hù)工作一般分為永久支護(hù)和臨時支護(hù)。臨時支護(hù)就是為了防止出現(xiàn)頂板下沉的現(xiàn)象，它也是為了后續(xù)的永久支護(hù)打下基礎(chǔ)，再進(jìn)行永久支護(hù)時會將其拆除。目前應(yīng)用的主要臨時支護(hù)設(shè)備大概有棚式臨時支護(hù)、掘進(jìn)機(jī)載前探式臨時支護(hù)以及掘錨機(jī)組臨時支護(hù)裝置等幾種。永久支護(hù)就是能夠長期保護(hù)頂板防止其下沉，目前應(yīng)用比較廣泛的就是錨桿支護(hù)與錨索支護(hù)。

1.1 后置支護(hù)快速掘進(jìn)工藝

在進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)的具體施工時，施工人員不應(yīng)該按照既定施工計劃盲目施工，而是應(yīng)該讓掘進(jìn)作業(yè)和支護(hù)作業(yè)基于實(shí)際作業(yè)情況來調(diào)整，同時配合好臨時支護(hù)與永久支護(hù)。若要提高作業(yè)完成率，這個時候?yàn)榱丝s短掘進(jìn)時間，可以在作業(yè)空間上做出一定的讓步來完善后置支護(hù)方式。在進(jìn)行后置支護(hù)作業(yè)時，主要用到的設(shè)備有掘進(jìn)機(jī)、支架組、錨桿鉆機(jī)等，其中最主要的就是起到臨時支護(hù)作用的支架組。大概的施工過程如下：使用掘進(jìn)機(jī)對礦井進(jìn)行挖掘，然后將挖掘的殘?jiān)醚b運(yùn)機(jī)清理，同時臨時支架防護(hù)也搭建起來，最終運(yùn)錨機(jī)完成永久支護(hù)作業(yè)來收尾，以上就是一個簡單的支護(hù)作業(yè)循環(huán)流程。施工人員在工作過程中一般一邊挖掘，一邊清理殘?jiān)?，而臨時支護(hù)和永久支護(hù)也同時作業(yè)。這樣大大提高了掘進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)了根本的巷道快速掘進(jìn)。但實(shí)際操作中，后置支護(hù)工藝也存在著些不足，大概就是以下幾點(diǎn)：

一是對于臨時支護(hù)作業(yè)所使用的支架組的結(jié)構(gòu)體積相較于一般支架更大一些，這樣搭建起來會影響掘進(jìn)機(jī)的調(diào)度，而且在設(shè)備維護(hù)上的工作量也比較大；二是施工時整個工作面是不間斷同時進(jìn)行的，因此支架組可能會使頂板破碎，而這對于巷道頂板管理來說又是一項(xiàng)比較艱巨的任務(wù)；三是臨時支護(hù)搭建的支架組對頂板的保護(hù)作用強(qiáng)度不會很大，這時就會造成頂板下沉現(xiàn)象，在后續(xù)的永久支護(hù)作業(yè)時很容易出現(xiàn)頂板離層的現(xiàn)象；四是當(dāng)使用錨桿與錨索操作時，最大的問題就是支護(hù)時間與實(shí)際掘進(jìn)速度基本上不能同步。若使用后置支護(hù)，其防護(hù)強(qiáng)度相對來說達(dá)不到要求，而且支架組需要多次對頂板進(jìn)行支撐作用，所以對于那些頂板不是很穩(wěn)定的巷道，這種支護(hù)方式就不是很合適。后置支護(hù)這項(xiàng)工藝比較適合應(yīng)用在那些巷道的頂板屬于比較穩(wěn)定，而且地質(zhì)條件比較好的施工環(huán)境，這個時候?qū)τ谔岣呦锏赖木蜻M(jìn)效率有很大的幫助。

1.2 前置支護(hù)快速掘進(jìn)工藝

前置支護(hù)工藝總的來說就是掘進(jìn)施工開始階段就將頂板永久支護(hù)的作業(yè)完成，掘一錨一與掘一錨二即其主要采用的支護(hù)方式。這項(xiàng)工藝在實(shí)施起來會對掘進(jìn)時間有一定的影響，但是它對于礦井頂板的支護(hù)作用強(qiáng)度更大，在施工安全方面更加有保障。在使用前置支護(hù)快速掘進(jìn)工藝時，可免去臨時防護(hù)作業(yè)，或者在永久支護(hù)作業(yè)時僅僅需要借助機(jī)載臨時支護(hù)設(shè)備來進(jìn)行簡單的支護(hù)，這樣施工效率會大大加強(qiáng)。這項(xiàng)掘進(jìn)工藝在現(xiàn)實(shí)操作中的的主要步驟如下：先使用掘進(jìn)機(jī)來掘進(jìn)一兩個錨桿排距，然后讓掘進(jìn)機(jī)停止工作或適當(dāng)后退，接著使用錨桿鉆機(jī)來進(jìn)行錨桿支護(hù)，完成以后讓錨桿鉆機(jī)退出現(xiàn)場，然后讓掘進(jìn)機(jī)到迎頭中試著掘進(jìn)一個錨桿排距或兩個錨桿排距。以上就是單個的循環(huán)作業(yè)工序。在使用前置支護(hù)工藝進(jìn)行快速挖掘作業(yè)時，不僅對普通的支護(hù)頂板進(jìn)行了有效的防護(hù)，而且對于那些頂板不穩(wěn)定容易出現(xiàn)破碎現(xiàn)象的巷道，防護(hù)效果會更好，因?yàn)榫蜻M(jìn)作業(yè)與支護(hù)作業(yè)沒有辦法同時進(jìn)行，所以在巷道施工中，錨桿支護(hù)作業(yè)的完成速度直接決定了整個施工掘進(jìn)速度，再就是這項(xiàng)工藝嚴(yán)格要求迎頭空間，所以相對來說在提高掘進(jìn)效率這方面并不會很出色。

2.掘進(jìn)技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展，相關(guān)的科研人員就礦井快速掘進(jìn)技術(shù)和相關(guān)裝備也進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。尤其是在目前機(jī)械化自動化的建設(shè)背景下，一些比較先進(jìn)的科技成果已經(jīng)應(yīng)用到了礦井掘進(jìn)作業(yè)中，即便如此我國目前的礦井掘進(jìn)工作仍然存在著很多問題，這就需要根據(jù)我國煤礦的實(shí)際情況對掘進(jìn)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行更深一步的完善。進(jìn)入“十四五”時期，世界的能源產(chǎn)業(yè)也將發(fā)生一系列的變化。所以對于掘進(jìn)設(shè)備的研究應(yīng)該放在自動化和智能化上，這樣可以有效提高掘進(jìn)效率以保障施工安全。

2.1 巷道掘進(jìn)基礎(chǔ)理論與方法

由于煤礦井下巷道掘進(jìn)技術(shù)的施工對象是煤巖體，所以這項(xiàng)工程相對來說比較復(fù)雜。利用遙感、大數(shù)據(jù)、云計算等智能化手段對所要開采的煤礦區(qū)域進(jìn)行勘測分析，選擇合適的工藝和設(shè)備；提高錨桿支護(hù)效果、加強(qiáng)圍巖條件的在線監(jiān)測水平，這樣可以實(shí)時調(diào)整工藝參數(shù)，降低了掘進(jìn)工作面支護(hù)密度的同時還保障了掘進(jìn)的安全性，把支護(hù)任務(wù)盡可能的留給后期的鉆機(jī)施工來完成，這樣掘錨平行作業(yè)率將會得到科學(xué)的提高，與此同時，還應(yīng)該對多物理場耦合作用下圍巖強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，搭建相應(yīng)的耦合作用模型（包括臨時支護(hù)、永久支護(hù)、截割煤巖）為后期永久支護(hù)的效果評價和維護(hù)優(yōu)化提供相應(yīng)的參考。

2.2 智能化和成套化的高端裝備

煤炭生產(chǎn)行業(yè)在經(jīng)濟(jì)科技日新月異的今天對于設(shè)備上的選擇更趨于智能化和成套化，而且在發(fā)展中供不應(yīng)求。當(dāng)前的掘進(jìn)設(shè)備已經(jīng)不斷地將信息化、自動化、遠(yuǎn)程遙控和人機(jī)交互等技術(shù)應(yīng)用其中，設(shè)備的智能水平日益增強(qiáng)，煤炭掘進(jìn)系統(tǒng)所搭建的集中控制平臺可以實(shí)現(xiàn)自動順序控制、高級診斷、積極性能監(jiān)測等功能，能夠使整個掘進(jìn)系統(tǒng)中各個設(shè)備都處在一個高效低耗的最優(yōu)狀態(tài)，掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)可以使得截割斷面在掘進(jìn)過程中自動成形。

在倡導(dǎo)節(jié)約能源綠色發(fā)展的時代背景下，礦井也要求綠色安全。所以如今的掘進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展方向正靠攏功能集成化及裝備成套化。而所謂裝備成套化，即設(shè)備在快速掘進(jìn)作業(yè)中時完成掘-支-運(yùn)一體化，不過在掘-探一體化、智能錨鉆及智能控制等方面表現(xiàn)還不夠出色，有待提高。全斷面掘進(jìn)工作面超前探測這個問題的解決需要依靠掘-錨-探一體化技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)無人掘進(jìn)工作我們必須大力發(fā)展自動錨桿鉆機(jī)和掘錨一體機(jī)技術(shù)；多臺機(jī)器自動跟進(jìn)及安全預(yù)警的實(shí)現(xiàn)離不開超寬帶定位技術(shù)的發(fā)展；開展掘進(jìn)工作面數(shù)據(jù)感知、交互、上傳和診斷等技術(shù)的研究；無線通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋實(shí)現(xiàn)了視頻、語音、工業(yè)數(shù)據(jù)等復(fù)雜信息的高速傳輸；掘進(jìn)系統(tǒng)地面監(jiān)控中心的建設(shè)步伐一刻也不能停歇，掘進(jìn)工作面人、機(jī)、環(huán)境的集中管控早日實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲、分析和判斷。

2.3 掘進(jìn)機(jī)器人的研制

煤礦井下的環(huán)境比較惡劣，安全隱患數(shù)不勝數(shù)，施工安全備受威脅，格外是在礦井中那些巷道頂板易破碎且瓦斯含量比較高的。因此，掘進(jìn)機(jī)器人的出現(xiàn)是時代所需，這樣巷道掘進(jìn)技術(shù)不僅會向智能化的方向發(fā)展，而且有效地實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備可以遠(yuǎn)程操控或無人操控的功能，取代施工人員到惡劣的礦井環(huán)境中進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。，國家煤礦安全監(jiān)察局在2019年發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》中對應(yīng)用到煤礦資源開采的機(jī)器人提出了明確的條例。掘進(jìn)機(jī)器人的首先要具備一定的自主決策能力，與此同時這些功能也不能少，如具備導(dǎo)航、定位、各種參數(shù)采集、狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警等，這樣施工人員可以精準(zhǔn)定位掘進(jìn)機(jī)器，同時也實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)環(huán)境進(jìn)行一個實(shí)時監(jiān)測。而臨時支護(hù)機(jī)器人主要就是具備對巷道周圍的圍巖狀態(tài)的自主感知能力，與此同時，還應(yīng)該具備自主移動定位、智能控制支撐力強(qiáng)度、智能調(diào)整支撐姿態(tài)、多個機(jī)器人可以相互協(xié)作和遠(yuǎn)程干預(yù)等功能。鉆錨機(jī)器人應(yīng)該由錨桿機(jī)、錨桿倉和智能控制系統(tǒng)等部分組成。其主要功能就是實(shí)現(xiàn)錨桿間排距的自動定位，鉆錨機(jī)器人應(yīng)該可以自主實(shí)現(xiàn)或者遙控實(shí)現(xiàn)鉆孔、裝卸錨桿和錨桿鎖定等一系列功能，這樣對巷道頂板的快速支護(hù)就不成問題。掘進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域是目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，尤其是錨桿錨索支護(hù)機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)器人和運(yùn)輸機(jī)器人。在礦井中從事煤礦資源開采的工作人員，大約有40%左右是進(jìn)行的掘進(jìn)作業(yè)。掘進(jìn)作業(yè)的施工環(huán)境比較惡劣，設(shè)備和技術(shù)水平相對較低，所以施工人員的工作強(qiáng)度就比較大。

3.結(jié)語

總而言之，相關(guān)施工人員必須從作業(yè)的礦井實(shí)際情況考慮，這樣才能從根本上有效提高礦井巷道掘進(jìn)效率，從而研發(fā)出適合不同礦井巷道的掘進(jìn)工藝，然后更加科學(xué)專業(yè)地分配管理掘進(jìn)時間與支護(hù)時間，讓掘進(jìn)施工的效率得到最大化的提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦井巷道的快速掘進(jìn)，最終企業(yè)獲得更多的經(jīng)濟(jì)收益。