高家莊礦大斷面硬巖巷道智能化快速掘進應用

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.太原科技大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024）

近年來，隨著我國煤炭回采工作面機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。為實現回采工作面間的順利接替，實現巷道快速掘進問題成了近年來煤炭開采領域眾多學者的研究熱點。

楊壯從彈塑性力學角度建立了煤巷快速掘進中頂板力學分析模型，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值模擬相結合的方法研究了煤巷快速掘進過程中頂板失穩規律以及錨桿作用機理，并從支護工藝的角度提出了相應預防措施[2]。同時眾多學者嘗試通過優化施工工藝來實現巷道的快速掘進，孫旭威將掘錨一體化的施工方法運用于巷道快速掘進，并對比分析得出了該方法在掘進及支護方面的優勢所在[3]；唐衛濤通過對頂板離層及變形量的觀測，利用所得數據建立了判斷頂板失穩模型，確定了巷道快速掘進中空頂距對其頂板變形影響，從而加快了巷道掘進速度[4]。

巷道快速掘進需解決的核心為破 （煤） 巖效率、圍巖支護兩大問題。盡管國內外學者已經進行了大量研究，但現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領域，而針對大斷面巖石巷道的快速掘進則研究較少。在當下信息化技術快速發展的環境下，智能化快速掘進成為了未來發展的趨勢。為此，本文以山西中煤榮欣公司高家莊煤礦東翼回風巷為研究對象，結合巷道所處地質條件提出了針對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進系統的應用，進而探討全巖巷道智能化快速掘進的可行性。該研究成果可為大斷面硬巖巷道智能化快速掘進工藝實施提供參考。

1 工程概況

1.1 圍巖特征

高家莊煤礦地面標高為+1 018～+1 092 m，東翼回風大巷位于+515 水平、二盤區。東翼回風巷道掘進于山西組K4 粉砂巖之中，粉砂巖呈灰色，粉砂狀結構，抗壓強度為13.8 MPa，抗拉強度為1.5 MPa。底板巖層向下依次為泥巖、砂質泥巖、細砂巖，巷道巖層走向為115°～120°，傾向205°～210°，傾角2°～4°。在東翼回風大巷掘進范圍內無斷層、陷落柱等地質構造，巖層層賦存穩定，總體呈單斜構造。

1.2 巷道支護參數

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。巷道永久支護采用錨網索噴聯合支護方式。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 七芯低松弛預應力鋼絞線錨索，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；鋼筋網采用φ6.3 mm 圓鋼焊接，網幅2 500 mm×1 000 mm，網孔80 mm×80 mm； 噴射砼厚度為150 mm，強度為C20。

2 智能化快速掘進系統

2.1 系統配套

高家莊礦東翼回風大巷快速掘進系統主要包括智能化懸臂式掘進機、錨桿鉆車、帶式轉載機、可伸縮帶式輸送機、邁步式自移機尾、除塵系統及集控中心，如圖1 所示。

圖1 智能化快速掘進系統設備配套

其中，EBZ315H 型掘進機搭載智能控制系統，可實現掘進設備導航及定位截割，在截割過程中可選擇自適應截割、自動截割、遙控截割三種方式，并能實現記憶截割，可根據位置、姿態變化進行糾偏調整，以適應巷道斷面大小及頂板起伏變化；自移機尾減少了皮帶輸送機拉移次數，從而適應巷道的快速掘進。該智能化快速系統掘進參數如表1 所示。

表1 智能化快速掘進系統主要參數

2.2 設備特征

智能化快速掘進系統旨在提高全巖巷道快速掘進時的安全性、降低工人勞動強度、提高掘進施工效率和施工質量，結合巷道地質條件，首次實現了針對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進工藝。設備系統所包含的智能地質超前探測系統可針對巷道圍巖內3～80 m范圍內地質構造進行探測。智能掘進系統具有自動截割、自動定位及導向、遠程監控、人員接近預警功能，在實現快速掘進的同時減少了人員操作環節。智能錨固系統可完成自動鉆孔、自動注錨桿功能，實現了掘支智能交替作業功能，配合智能連續運輸系統，提高了掘進效率。同時，配合遠程集控系統將掘進設備、錨固系統、智能連續運輸系統、視頻監控系統相耦合，最終建立了智能化快速掘進集控系統。

3 快速掘進工藝

大斷面全巖巷道智能化快速掘進主要作業工藝特點如下。

3.1 作業方式

采用掘、錨交替作業的方式，分次成巷，利用EBZ315H 型掘進機所具有的超前探測系統對掘進迎頭處圍巖完整性進行探測后確定施工順序。掘進完成后，智能錨護系統自主完成自動鉆孔、自動注錨桿，及時對掘進迎頭進行臨時支護和巷道永久支護。由掘進機運輸部、帶式裝載機、可伸縮輸送機所組成的具有機尾自移功能的智能連續運輸系統將矸石運出，從而實現了掘、錨、運智能化快速作業，提高了掘進效率。

3.2 工藝特點

圍巖破碎程度所決定的巷道支護形式以及各支護工序間的作業流程是限制巷道快速掘進效率的主要因素[5]。該智能化快速掘進系統通過掘進機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。結合探測結果確定掘進機截割路線，同時，將圍巖完整性結果反饋至智能化錨護系統，后者依據支護強度與頂板破碎狀態，經綜合計算后選擇支護方案“一掘一支”或“兩掘一支”。該智能化快速掘進系統改變了傳統的迎頭支護模式，在上一個循環作業時，已依據前方圍巖完整性確定出下一循環截割路線、支護方案以及運輸系統的調配，大大縮短了各工序間隔時間，提高了支護及運輸效率。

圖2 超前探測系統成果

3.3 人員操作

大斷面硬巖巷道快速掘進系統以智能操控的形式完成了提高掘進效率、減少作業人員的目的。經超前探測裝置對圍巖完整性進行評估后，1 人操作智能掘進機完成截割、運巖工作，2 人操作智能化錨護系統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（10 根），2 人操作智能錨護系統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 應用效果

4.1 勞動組織

大斷面硬巖巷道智能快速掘進工作面施工勞動組織采用“三·八”制作業方式，共計3 個班組（早、中、晚），其中夜班主要任務為運料、噴漿，早班、中班負責掘進，勞動組織如表2 所示。

表2 智能掘進工作面人員配置

4.2 掘進進尺

自2021 年10 月以來，大斷面硬巖巷道智能化快速掘進系統在高家莊煤礦東翼回風大巷掘進工作面安裝調試完成后，于11 月份投入掘進試驗，直至2022 年5 月份，試驗時長為7 個月。其中，2021 年11 月、12 月掘進進尺分別為145.6 m、140.3 m，2022 年1 月份存在節假日，掘進進尺相對較小，為107.1 m；2～5 月份月掘進進尺則分別為136.4 m、143.7 m、138.4 m 和145.8 m，平均月進度約159.1 m。智能化快速掘進工作面月掘進進尺與同期西翼大斷面硬巖巷道普通機械掘進工作面月掘進進尺對比圖，如圖3 所示。從圖中可以發現，大斷面全巖巷道智能化快速掘進系統應用于工作面后，相比于普通機械化掘進工作面具有以下優勢： ①智能化快速掘進系統實現了自動巡航、記憶掘進以及自動錨護的目的，大幅度減輕了工作面人員勞動強度及人員數量。②智能化快速掘進系統相比于普通機械化掘進工作面其月循環進度穩定，而普通機械化工作面每月間掘進進度差異較大，受各因素影響明顯。③智能化快速掘進工作面相比于普通機械掘進工作面掘進效率顯著提高，前者相比于后者月掘進進度提高了37.5%。

5 結語

高家莊大斷面硬巖巷道智能化快速掘進系統的應用，實現了掘、支、運三個工序的智能化作業，有效減輕了工作面人員勞動強度，并大幅提高了工作面掘進效率，月循環進度評價達159.1 m，相比于普通機械化掘進工作面掘進速度提高了37.5%，實現了對大斷面硬巖巷道的智能化快速掘進工藝的嘗試；該智能化快速掘進系統的應用，可為同類巖石巷道掘進設備的升級提供依據，也可為快速掘巷技術的實施提供經驗借鑒。