馮秀青，付玉平

（1.山西中陽榮欣焦化有限公司，山西 呂梁 033400；2.太原科技大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近年來，隨著我國煤炭回采工作面機(jī)械化水平的不斷提高，采掘工作面接替緊張的問題變得尤為突出。為實(shí)現(xiàn)回采工作面間的順利接替，實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)問題成了近年來煤炭開采領(lǐng)域眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

楊壯從彈塑性力學(xué)角度建立了煤巷快速掘進(jìn)中頂板力學(xué)分析模型，并借助FLAC 模擬分析了不同空頂距下圍巖變形破壞特征[1]；馬睿采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了煤巷快速掘進(jìn)過程中頂板失穩(wěn)規(guī)律以及錨桿作用機(jī)理，并從支護(hù)工藝的角度提出了相應(yīng)預(yù)防措施[2]。同時(shí)眾多學(xué)者嘗試通過優(yōu)化施工工藝來實(shí)現(xiàn)巷道的快速掘進(jìn)，孫旭威將掘錨一體化的施工方法運(yùn)用于巷道快速掘進(jìn)，并對比分析得出了該方法在掘進(jìn)及支護(hù)方面的優(yōu)勢所在[3]；唐衛(wèi)濤通過對頂板離層及變形量的觀測，利用所得數(shù)據(jù)建立了判斷頂板失穩(wěn)模型，確定了巷道快速掘進(jìn)中空頂距對其頂板變形影響，從而加快了巷道掘進(jìn)速度[4]。

巷道快速掘進(jìn)需解決的核心為破 （煤） 巖效率、圍巖支護(hù)兩大問題。盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但現(xiàn)有研究成果主要集中于煤層巷道、小斷面巖巷等回采巷道的快速掘進(jìn)領(lǐng)域，而針對大斷面巖石巷道的快速掘進(jìn)則研究較少。在當(dāng)下信息化技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，智能化快速掘進(jìn)成為了未來發(fā)展的趨勢。為此，本文以山西中煤榮欣公司高家莊煤礦東翼回風(fēng)巷為研究對象，結(jié)合巷道所處地質(zhì)條件提出了針對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)而探討全巖巷道智能化快速掘進(jìn)的可行性。該研究成果可為大斷面硬巖巷道智能化快速掘進(jìn)工藝實(shí)施提供參考。

1 工程概況

1.1 圍巖特征

高家莊煤礦地面標(biāo)高為+1 018～+1 092 m，東翼回風(fēng)大巷位于+515 水平、二盤區(qū)。東翼回風(fēng)巷道掘進(jìn)于山西組K4 粉砂巖之中，粉砂巖呈灰色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度為13.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。底板巖層向下依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，巷道巖層走向?yàn)?15°～120°，傾向205°～210°，傾角2°～4°。在東翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)無斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，巖層層賦存穩(wěn)定，總體呈單斜構(gòu)造。

1.2 巷道支護(hù)參數(shù)

大巷斷面為半圓拱形，寬度為6.1 m，高度為5.05 m，墻高2.1 m，斷面積26.81 m2；噴漿厚度0.15 m，凈寬5.8 m，凈高4.9 m，墻高2 m，凈斷面積24.81 m2。巷道永久支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方式。其中，錨桿選用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，布置方式為矩形，錨固長度為1 100 mm；錨索選用φ17.8 mm×8 200 mm 七芯低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，排距為1 600 mm×1 600 mm，采用“四·三”布置形式，錨固長度為1 700 mm；鋼筋網(wǎng)采用φ6.3 mm 圓鋼焊接，網(wǎng)幅2 500 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔80 mm×80 mm； 噴射砼厚度為150 mm，強(qiáng)度為C20。

2 智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配套

高家莊礦東翼回風(fēng)大巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要包括智能化懸臂式掘進(jìn)機(jī)、錨桿鉆車、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、邁步式自移機(jī)尾、除塵系統(tǒng)及集控中心，如圖1 所示。

圖1 智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配套

其中，EBZ315H 型掘進(jìn)機(jī)搭載智能控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備導(dǎo)航及定位截割，在截割過程中可選擇自適應(yīng)截割、自動截割、遙控截割三種方式，并能實(shí)現(xiàn)記憶截割，可根據(jù)位置、姿態(tài)變化進(jìn)行糾偏調(diào)整，以適應(yīng)巷道斷面大小及頂板起伏變化；自移機(jī)尾減少了皮帶輸送機(jī)拉移次數(shù)，從而適應(yīng)巷道的快速掘進(jìn)。該智能化快速系統(tǒng)掘進(jìn)參數(shù)如表1 所示。

表1 智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 設(shè)備特征

智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)旨在提高全巖巷道快速掘進(jìn)時(shí)的安全性、降低工人勞動強(qiáng)度、提高掘進(jìn)施工效率和施工質(zhì)量，結(jié)合巷道地質(zhì)條件，首次實(shí)現(xiàn)了針對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進(jìn)工藝。設(shè)備系統(tǒng)所包含的智能地質(zhì)超前探測系統(tǒng)可針對巷道圍巖內(nèi)3～80 m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測。智能掘進(jìn)系統(tǒng)具有自動截割、自動定位及導(dǎo)向、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人員接近預(yù)警功能，在實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的同時(shí)減少了人員操作環(huán)節(jié)。智能錨固系統(tǒng)可完成自動鉆孔、自動注錨桿功能，實(shí)現(xiàn)了掘支智能交替作業(yè)功能，配合智能連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，提高了掘進(jìn)效率。同時(shí)，配合遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)將掘進(jìn)設(shè)備、錨固系統(tǒng)、智能連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)相耦合，最終建立了智能化快速掘進(jìn)集控系統(tǒng)。

3 快速掘進(jìn)工藝

大斷面全巖巷道智能化快速掘進(jìn)主要作業(yè)工藝特點(diǎn)如下。

3.1 作業(yè)方式

采用掘、錨交替作業(yè)的方式，分次成巷，利用EBZ315H 型掘進(jìn)機(jī)所具有的超前探測系統(tǒng)對掘進(jìn)迎頭處圍巖完整性進(jìn)行探測后確定施工順序。掘進(jìn)完成后，智能錨護(hù)系統(tǒng)自主完成自動鉆孔、自動注錨桿，及時(shí)對掘進(jìn)迎頭進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)和巷道永久支護(hù)。由掘進(jìn)機(jī)運(yùn)輸部、帶式裝載機(jī)、可伸縮輸送機(jī)所組成的具有機(jī)尾自移功能的智能連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)將矸石運(yùn)出，從而實(shí)現(xiàn)了掘、錨、運(yùn)智能化快速作業(yè)，提高了掘進(jìn)效率。

3.2 工藝特點(diǎn)

圍巖破碎程度所決定的巷道支護(hù)形式以及各支護(hù)工序間的作業(yè)流程是限制巷道快速掘進(jìn)效率的主要因素[5]。該智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)通過掘進(jìn)機(jī)所搭載的超前探測裝置對圍巖破碎程度提前觀測，如圖2 所示。結(jié)合探測結(jié)果確定掘進(jìn)機(jī)截割路線，同時(shí)，將圍巖完整性結(jié)果反饋至智能化錨護(hù)系統(tǒng)，后者依據(jù)支護(hù)強(qiáng)度與頂板破碎狀態(tài)，經(jīng)綜合計(jì)算后選擇支護(hù)方案“一掘一支”或“兩掘一支”。該智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的迎頭支護(hù)模式，在上一個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)，已依據(jù)前方圍巖完整性確定出下一循環(huán)截割路線、支護(hù)方案以及運(yùn)輸系統(tǒng)的調(diào)配，大大縮短了各工序間隔時(shí)間，提高了支護(hù)及運(yùn)輸效率。

圖2 超前探測系統(tǒng)成果

3.3 人員操作

大斷面硬巖巷道快速掘進(jìn)系統(tǒng)以智能操控的形式完成了提高掘進(jìn)效率、減少作業(yè)人員的目的。經(jīng)超前探測裝置對圍巖完整性進(jìn)行評估后，1 人操作智能掘進(jìn)機(jī)完成截割、運(yùn)巖工作，2 人操作智能化錨護(hù)系統(tǒng)完成在人工放置鉆桿、錨桿及錨固劑等條件下的頂板位置自動鉆孔、自動注錨桿支護(hù)（10 根），2 人操作智能錨護(hù)系統(tǒng)完成對頂板位置錨索的智能化錨固工作（5 根），2 人完成兩幫位置錨桿的智能化自動錨固工作（左右各4 根）。

4 應(yīng)用效果

4.1 勞動組織

大斷面硬巖巷道智能快速掘進(jìn)工作面施工勞動組織采用“三·八”制作業(yè)方式，共計(jì)3 個(gè)班組（早、中、晚），其中夜班主要任務(wù)為運(yùn)料、噴漿，早班、中班負(fù)責(zé)掘進(jìn)，勞動組織如表2 所示。

表2 智能掘進(jìn)工作面人員配置

4.2 掘進(jìn)進(jìn)尺

自2021 年10 月以來，大斷面硬巖巷道智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)在高家莊煤礦東翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面安裝調(diào)試完成后，于11 月份投入掘進(jìn)試驗(yàn)，直至2022 年5 月份，試驗(yàn)時(shí)長為7 個(gè)月。其中，2021 年11 月、12 月掘進(jìn)進(jìn)尺分別為145.6 m、140.3 m，2022 年1 月份存在節(jié)假日，掘進(jìn)進(jìn)尺相對較小，為107.1 m；2～5 月份月掘進(jìn)進(jìn)尺則分別為136.4 m、143.7 m、138.4 m 和145.8 m，平均月進(jìn)度約159.1 m。智能化快速掘進(jìn)工作面月掘進(jìn)進(jìn)尺與同期西翼大斷面硬巖巷道普通機(jī)械掘進(jìn)工作面月掘進(jìn)進(jìn)尺對比圖，如圖3 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，大斷面全巖巷道智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于工作面后，相比于普通機(jī)械化掘進(jìn)工作面具有以下優(yōu)勢： ①智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動巡航、記憶掘進(jìn)以及自動錨護(hù)的目的，大幅度減輕了工作面人員勞動強(qiáng)度及人員數(shù)量。②智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)相比于普通機(jī)械化掘進(jìn)工作面其月循環(huán)進(jìn)度穩(wěn)定，而普通機(jī)械化工作面每月間掘進(jìn)進(jìn)度差異較大，受各因素影響明顯。③智能化快速掘進(jìn)工作面相比于普通機(jī)械掘進(jìn)工作面掘進(jìn)效率顯著提高，前者相比于后者月掘進(jìn)進(jìn)度提高了37.5%。

5 結(jié)語

高家莊大斷面硬巖巷道智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了掘、支、運(yùn)三個(gè)工序的智能化作業(yè)，有效減輕了工作面人員勞動強(qiáng)度，并大幅提高了工作面掘進(jìn)效率，月循環(huán)進(jìn)度評價(jià)達(dá)159.1 m，相比于普通機(jī)械化掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度提高了37.5%，實(shí)現(xiàn)了對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進(jìn)工藝的嘗試；該智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，可為同類巖石巷道掘進(jìn)設(shè)備的升級提供依據(jù)，也可為快速掘巷技術(shù)的實(shí)施提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。