煤巷掘進臨時支護現狀與發展趨勢

李 沛

(潞安化工集團 王莊煤礦,山西 長治 046031)

隨著國內煤炭易采儲量的減少和開拓巷道數量的增加[1],煤炭開采逐漸向深部轉移,掘進工作面地質條件也越來越復雜,傳統掘進設備和臨時支護技術發展緩慢,工作面安全事故時有發生,其中煤礦安全事故中冒頂事故居第一位[2]。隨著經濟的高速發展,對能源的需求更大,尤其是對煤炭的需求,綜掘滿足不了綜采的現象日益明顯,采掘比失衡已成為制約煤礦高效生產的主要因素[3]。掘進工作面臨時支護技術不僅影響煤礦巷道掘進工作面安全生產,也制約著巷道掘進速度[4-7]。近年來,在煤巷臨時支護方面開展了諸多研究,研制出多種性能優越的臨時支護裝備,為煤巷實現快速、高效、安全、智能化轉型建設奠定了基礎。

1 國內外煤巷臨時支護技術與裝備現狀

煤巷臨時支護是維護掘進工作面與永久支護之間的作業空間,避免空頂時間長引起頂板沉降和變形均采用臨時支護[8]。國外煤礦開采煤層賦存條件相對于國內良好,其巷道斷面大,頂板穩定,便于采用配套頂板的掘進機等先進裝備,多側重于截割、支護平行施工方式的聯合作業機組,實行一次性永久支護,基本不需要實施臨時支護,掘進效率高[9]。國內大多數煤礦地質條件復雜,受到斷層和褶皺等構造帶影響,巷道圍巖整體性和穩定性較差,頂板和圍巖較破碎;進行巷道掘進時,合理選擇相適應的臨時支護技術以及裝備,有效控制頂板的離層和冒落,兩幫片幫,從而為掘進工作提供安全保障。目前,國內大多數礦井研制和應用的臨時支護形式有前探梁臨時支護、懸臂式掘進機機載臨時支護裝備和掘錨機一體化的臨時護頂裝置。

1.1 前探梁臨時支護

前探梁臨時支護以巷道原有支護為支撐,采用槽鋼、道軌或鋼管通過吊環或錨鏈吊掛,與原有支護聯成固定懸臂,利用懸臂的支撐能力臨時托住空頂,在頂板發生離層、垮落時起到支撐和緩沖作用,防止頂板破碎煤巖體掉落,保護作業人員安全。在煤巷實際應用中,前探梁常與其他裝置組合使用,提高臨時支護綜合效果,前探梁臨時支護裝置如圖1所示。

圖1 前探梁臨時支護裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of forepoling beam temporary support

主要由前探梁和吊掛探梁的吊環組成,適用于錨桿(網)支護的煤巷、半煤巖巷且錨桿外露部分有螺紋的各種直徑的錨桿。

前探梁臨時支護不受巷道斷面限制,多用于架棚巷道,也用于煤巷掘進錨網支護的巷道,屬于被動支護,無初撐力不能主動支撐,護頂面積小、臨時支護速度慢、支護效果差,但成本低,使用方法簡單。

1.2 點柱式臨時支護

點柱式采用支設帶帽單體液壓支柱托網片對空頂區進行臨時支護。該支護形式最早從木支柱的基礎上發展而來的,是利用液體壓力產生的工作阻力來對巷道空頂區頂板進行臨時支護的一種可縮性支柱。點柱式臨時支護裝置如圖2所示。

圖2 點柱式臨時支護示意圖Fig.2 Schematic diagram of point-pillar temporary support

單體液壓支柱在遇有地質構造、頂板起伏不平,具有施工作業簡單靈活、高效,能夠更好地適應復雜地質條件,相比前探梁臨時支護安全性較高,護頂效果較好;但作業過程工序繁瑣復雜,需要抬柱、升柱、回柱、移柱多個工序,勞動強度大,掘進速度緩慢。

不管是前探梁臨時支護還是點柱式臨時支護,支護過程一次成巷距離較短,造成掘進、支護工序作業交替頻繁,不利掘進工序系統化,導致巷道掘進效率低。對此李杰[10]研制了一種主要由“前探梁+護頂橫梁+輕型單體柱”組合梁式進行配套組合使用的臨時支護裝置,裝置如圖3所示。

圖3 組合梁式臨時支護示意圖Fig.3 Schematic diagram of composite beam temporary support

該裝置利用玻璃鋼單體支柱支撐護頂橫梁與掘巷空頂區域相接觸并進行橫向強力控頂,同時將前探梁前移穿過前探梁延伸凹槽,并轉動伸梁裝置將前探梁觸頂,進行縱向輔助控頂,使前探梁與護頂橫梁形成“組合梁式”控頂結構,以“面域”的形式對空頂區進行支護。該裝置的使用能夠有效彌補原支護方式不能對空頂區頂板施加主動支撐力的不足,其次該裝置使用便捷,不占用掘進迎頭施工空間;更重要的是能夠實現掘進機連續掘進,增大一次成巷距離,解決掘進、支護工序頻繁交替作業,提高巷道掘進速度。

1.3 主動支撐式臨時支護

主動支撐式支架臨時支護技術即采用專門臨時支架對空頂區頂板進行主動支撐,保證巷道圍巖穩定。此方式結構簡單、自動化程度高、移動便捷等優勢,但其對巷道工況適應能力較差,且在支架移動過程中會對頂板造成頻繁擾動,裝置如圖4所示。

圖4 主動支撐式支架臨時支護示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support with active support bracket

該支護方式利用機組截割頭作為支撐點,將截割頭升起自制托梁器(上面鋪設網片)頂住支撐頂板。機組割煤后退到永久支護下,截割頭落地后閉鎖掘進機,作業人員先將托梁器放在截割頭上,再將托梁、網片放在托梁器上并固定好,開進機組,將截割臂升起接頂,閉鎖機組開始永久支護。

掘進隊組在相應配套機載臨時支護無法實現時,可使用如機載托梁器等臨時支護裝置,并制定相應安全技術措施對頂板進行有效控制,確保頂板安全。托梁器為自制,強度低、支護面積小、人工操作程序繁瑣、輔助時間長、安全性能差,目前已被機載式臨時支護替換。

上述托梁器,主動支撐強度低,適應復雜地質條件差,支護面積小等問題,韓軍研制了一種高初撐主動護頂臨時支護裝置,裝置如圖5所示[8]。

圖5 高初撐主動護頂臨時支護裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of temporary support with high initial support and active roof support technology

裝置包括前探支護梁、支護穩固器、千斤頂、十字固定架,兩端帶聯接插孔的前探支護梁,可前后相互鉸接,以沿巷道頂板分段向前延伸。在用千斤頂裝置可快速頂起后鉸接的前探支護梁來支護頂板。在前探支護梁中間的過錨桿托盤孔處對頂板施打錨桿,使用支護梁穩固器聯接已安裝的頂板錨桿,并擰緊,使穩固器固定在前探支護梁下表面,從而使前探支護梁緊貼頂板。支護裝置循環拆裝,分段延伸以適應巷道頂板復雜的形狀與走勢,且與巷道頂板緊密貼合。通過側向千斤頂提供頂板滿足強度要求的主動支護力,實現高初撐力主動臨時支護。

1.4 機載式臨時支護

機載式臨時支護在掘進機上加裝臨時支護裝備,利用掘進機原有液壓系統,通過協調操作液壓控制閥手柄,使組裝好的臨時支護架先將主架、頂梁架打開,再升高主架,對空頂區頂板產生支撐作用。機載式臨時支護裝置進行臨時支護為主動支護與被動支護相結合,支護面積大,初撐力和工作阻力較大,能減少頂板變形和離層,明顯縮短臨時支護時間,提高掘進效率和人員安全保障,裝置如圖6所示。

圖6 ZLJ-16 機載臨時支護裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of ZLJ-16 on-vehicle temporary support

ZLJ-16機載臨時支護裝置,在巷道開挖后配合EBZ260懸臂式掘進機使用。該機器用來對掘進工作面新揭露的空頂區進行臨時支護,當掘進機的掘進循環完成后,將該機器打開,可以迅速在掘進機切割頭前方形成一個3.2 m×1.65 m的支護面積,為下一步在該區域進行支護作業的人員提供一個安全可靠的工作空間[11]。機載臨時支護裝置的技術特點是支護面積大、初撐力和工作阻力大,可在低頂板巷道的工況下,順利翻轉打開和收攏。其結構緊湊、布局合理、操縱平穩、展開迅速,利用掘進機的泵站做動力,全液壓控制,有利于對機器實現自我保護?？擅黠@縮短臨時支護時間,降低職工勞動強度、提高掘進效率。

機載臨時支護裝備與掘進裝備不能實現同步平行作業,導致掘進及支護效率較低;初撐力和支護面積相對較小,不能實現全斷面支護;“護頂必護幫”,多數機載臨時支護裝備僅能對空頂區頂板進行支護,未設計幫部臨時支護,較易出現片幫、塌落等現象;整體性能有待提升,對于頂板條件較差的煤巷,起不到理想的支護效果;裝備在向前移動的過程中,會對頂板進行反復支撐,容易造成頂板破碎,破壞頂板的完整性。當巷道頂板坑洼不平或巷道拐彎時,機載臨時支護無法接頂,不能使用。

1.5 自移式臨時支護

現有的研究主要集中在機載臨時支護和礦-隧-錨一體化一體機等集成設備上。由于它們與其他設備集成,支撐結構簡單,不能適應復雜地質條件和頂板高低不平的工況條件,基于此,國內外學者自20世紀80年代便開始了自移式臨時支護裝備研究。

自移式臨時支護與上述的臨時支護不同,它與掘進機沒有任何機械聯接,替代原有吊桿臨時支護而獨立的安裝在掘進面端頭。隨著掘進機向前割煤及時支護割煤新暴露出的頂板,并實現自行前移。工人在掘進機后面、臨時支架之下進行割煤操作,并在臨時支架的掩護下完成安裝錨桿等永久支護作業,裝置如圖7所示。

1.主梁;2.側護板;3.側護板插孔;4.列;5.基地;6.移動千斤頂;7.四桿聯動圖7 STMS結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of STMS structure

丁淑慧[12]研制了一種新型自移式臨時支護裝備STMS,設備主要包括主梁、立柱、底座、側護板、四桿機構、推千斤頂、側護板千斤頂等機構。該設備采用兩組支撐架的形式,相互支撐并交替向前移動。在設備主梁和底座之間安裝了四連桿機構,以防止設備傾倒。

設備在煤礦巷道掘進工作面的協同工作,提高巷道掘進效率,解決了巷道掘進工作面復雜地質條件下的高效臨時支護問題。支架緊隨綜掘面的推進而前移,機械化程度較高,降低了工人的勞動強度,提高了工作效率。

問永忠[13]研究采用的ZJL2×1040/38/52型大斷面掘進工作面交錯邁步自移式臨時支護裝置,實現了掘進割煤-臨時支護-永久支護的有效銜接過渡,能有效地解決綜掘面的空頂作業難題,實現一次連續割煤2～5個截深再進行永久支護作業,在一定區域內可實現連續割煤與連續永久支護的較大循環步距,可以有效解決綜掘面安全作業問題,加強了掘進工作面頂板控制狀況,能有效防止頂板事故的發生,提高了綜掘面的安全生產技術水平,也提高了掘進效率,裝置如圖8所示。

圖8 交錯邁步自移式臨時支護裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of staggered self-moving temporary support

2 煤巷臨時支護存在問題

這幾種臨時支護方式雖然一定程度上減輕了掘進工作面迎頭支護的壓力,改善了工作面支護狀況;但是隨著綜掘技術與配套裝備的快速發展,綜采工作面生產能力的提高,以手工作業方式為主的臨時支護技術與裝備,無法實現掘-支-錨平行作業以及快速掘進。目前煤巷臨時支護存在問題主要表現在以下兩個方面。

2.1 掘進-支護不平衡

綜掘巷道快速掘進涉及“掘進-支護-掛網-鉆孔-錨固-運輸”等工藝環節,當前巷道掘進施工模式主要依賴工人進行串行作業,施工存在速度慢、勞動強度大、支護強度低、安全性能差,容易產生設備互擾與干涉,使得支護效率遠遠低于掘進效率。

在臨時支護方面,目前國內大多數礦井使用的臨時支護裝備,形式以被動支護為主,無初撐力不能主動支撐、護頂面積小,用到液壓支柱時,作業工序繁瑣復雜,勞動強度大,掘進速度緩慢,自動化、智能化水平較低,支護時間過長導致掘-支不平衡。

相比掘進方面,隨著高效機械化掘進設備的發展,以綜合機械化掘進,主要掘進機械為懸臂式掘進機;連續采煤機與錨桿鉆車配套作業線,主要掘進機械為連續采煤機,掘錨一體化掘進。主要掘進機械為掘錨機組為代表的機械化掘進方式,減少掘進與支護設備的換位作業時間及頂板及時支護,掘進速度增幅遠大于支護速度,使掘-支不平衡的矛盾越發突出。

2.2 缺乏系統性和全面性設計

雖然我國大部分綜采設備在智能化工作面上實現了國產化,但智能化綜采設備仍存在可靠性差、感知精度低、協調性差等問題?，F有的臨時支護裝備大多數都加裝在懸臂式掘進機上,設計之初并未考慮臨時支護問題,受到煤礦復雜地下環境的限制,多種功能仍然無法實現,缺乏系統性和全面性設計。

自移式臨時支護裝備在“移架”過程中,對頂板進行反復支撐,容易破壞頂板的完整性;移動速度較慢,遇到復雜地質條件,仍需要人工抬架,穩定性較差。大多數臨時支護裝備僅考慮頂板支護,缺乏對幫部支護,導致支護過程發生巷道片幫事件。巷道幫部和頂、底板是一個整體,臨時支架對圍巖的作用應以“護”為主、以“支”為輔,盡量保證圍巖的完整性,支護強度不宜過高,提高巷道整體穩定性。

現如今對于煤巷掘-支-錨-運平行作業還沒有系統性研究,掘進設備和臨時支護裝備沒有全面性設計,掘進面工作線上各設備獨立,缺乏信息感知、溝通互通功能,實時協同能力弱,人機交互差,在基礎技術和理論上未形成系統化。上述問題都是目前亟待解決的工程實際問題,需要進行深入的理論分析與相關研究。

3 煤巷臨時支護未來發展趨勢

國家發改委、國家能源局、應急管理部等八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》,將重點突破智能快速掘進,全面提高智能采掘裝備的成套化和國產化水平。

目前,臨時支護裝備多處于半自動化及半信息化階段,因此,探索研究安全高效的支護方案,設計新型支護設備,提供保障,提高支護效率,是未來發展趨勢之一。

煤巷快速掘進臨時支護正向掘-支-錨-運一體化方向發展,如研制煤巷快速掘進協同系統和一體化式掘錨機組,裝置如圖9所示。

1.懸臂式掘進機;2.自移式臨時支架;3.履帶式支護車;4.鉆錨作業車;5.橋式轉載機;6.帶式輸送機圖9 一體化式掘錨機組自動化掘進裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of automatic excavation device with integrated excavation and bolt unit

懸臂式掘進機主要進行破煤作業,配合橋式轉載機與礦用帶式輸送機完成煤炭生產的“三運”工序。履帶式支護車頂梁設計有鏈傳動機構用來協助自移式臨時支架的移架定位,以便完成綜掘巷道端頭的支護[14]。

XUE et al[15]研制了自移式錨固聯合機組,該裝備具有多站協同作業、協同支護錨固、支架推進方便快捷、鉆錨機構運行靈活等特點,如圖10所示。

圖10 自移式錨固聯合機組裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of self-moving anchored combined unit

自動支撐錨組合單元,由自移動先行支撐支架、錨車、多工位錨鉆機械臂等附屬裝置組成,可分為隧道機器人、支撐機器人、錨固機器人三部分。該機組具有多工位協同作業、支撐錨固協調、支架向前步方便快捷、鉆錨機構靈活自動等特點。

未來煤巷臨時支護會朝著智能化方向發展。截至目前,已建成300多個智能采煤工作面。煤炭生產實現了從手工操作向機械化、自動化、信息化、智能化的歷史性跨越。隨著5G+智能礦山、煤礦機器人、煤礦智能裝備等新技術發展,煤巷臨時支護智能化迎來了新的發展機遇。

傳統懸臂式掘進機和開挖錨固機的巷道設備在施工過程中難以進行,掘進和支護不能并行作業。在設備可靠性方面,整體可靠性較低。難以適應復雜多變的工況條件,故障率高,啟動率低,關鍵部件使用壽命低?；谥悄軅鞲衅骱?G技術實現掘進工藝及臨時支護參數隨圍巖條件動態實時優化調整,人工感知被設備的智能感知所取代,從而實現對掘進過程中設備的實時感知信息和圍巖狀態的動態分析,判斷掘進過程的可持續性、不確定因素,掘進與支護的高度協調是未來工作的目標。

ZHAN[16]基于智能快速采掘系統的關鍵技術,主要包括采錨(挖)一體化、自動切割、智能支護、挖掘導航、遠程采集控制、連續運輸、空間多維同時支護等,開發了用于掘-支-錨-運一體化的智能遠程集中控制系統架構,如圖11所示。

圖11 掘-支-錨-運一體化的智能遠程集中控制系統架構示意圖Fig.11 Structure of intelligent remote centralized control system with excavation-support-anchor-transportation integration

該系統實現多設備協同運行。提取錨固單元,實現自動切割、錨固支撐、臨時支撐、裝卸功能。為邊際感知、平臺決策、設備執行、遠程操作的技術保障,通過協調工作臺面上的各種設備和環境生物,相互協調,實現生產過程的獨立運行;通過對煤層發生和周圍特征、挖掘環境和設備工作條件的感知。為減少人工干預,實現安全、高效的綠色挖掘,將設備一鍵操作設置為自主感知、自主分析、自主決策、自主實施挖掘生產系統。

4 結論

煤巷臨時支護作為巷道掘進的關鍵一環,直接關系著煤炭行業的產能和效益。綜掘技術的不斷發展意味著研發新型高效臨時支護技術與裝備刻不容緩。通過研究國內外煤巷臨時支護現狀,發現存在的問題,針對關鍵性問題,借助大數據、5G通信技術、物聯網等高科技技術研發具有系統化、全面型設計的臨時支護裝備,實現掘-支一體化智能化作業,對提升巷道快速掘進和臨時支護智能化有著深遠意義。