我国煤巷掘进技术与装备发展现状

作者:未知

  摘 要:巷道掘进技术及设备直接影响煤炭开采能力,文章分析了我国煤矿巷道掘进技术及设备发展现状,发现其存在机械化程度不高、系统性、自动化程度差等问题,进而探讨其智能化、悬臂式、快速掘进的集成化发展趋势。
  关键词:煤矿;巷道掘进技术;装备
  中图分类号:TD42 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2019)19-0153-02
  Abstract: Roadway tunneling technology and equipment directly affect the ability of coal mining. This paper analyzes the present situation of coal mine roadway tunneling technology and equipment development in China, and finds that there are some problems, such as low degree of mechanization, low degree of systematicity, poor degree of automation and so on. Furthermore, the integrated development trend of intelligent, cantilever and rapid excavation is discussed.
  Keywords: coal mine; roadway tunneling technology; equipment
  煤炭資源是我国重要的能源之一,为我国经济社会发展做出了重要贡献。我国煤矿开采强度较大,巷道掘进量极大,给巷道支护质量和掘进速度提出了严格要求。巷道掘进速度直接关系到煤矿开采的效率、产量和安全性[1]。当前许多煤矿巷道采掘比例失调,增加了掘进回采难度,为解决此问题,许多新装备、新技术和新工艺不断产生,自动化、机械化的巷道掘进技术被大量应用,形成运、支和掘进的一体化及智能等是巷道掘进技术发展的未来趋势。这也是降低煤矿开采成本和高效安全生产的重要途径。
  1 巷道掘进技术现状分析
  锚杆支护及快速掘进技术的发展和应用,推动着煤矿巷道开采从爆破、人工掘进向机械化的方向发展。当前的机械掘进主要有三种类型:单体锚杆钻机与悬臂式掘进机配套作业;锚杆钻车与连续采煤机配套作业;掘锚一体化作业。其中,单体锚杆钻机和悬臂式掘进配套作业应用最广,具有较好的适应性,不足是掘进速度慢[2];锚杆钻车与连续采煤机配套作业为换位交叉,受地质条件限制,不易广泛推广使用。掘锚机组一体化作业为同步作业,掘进效率较高,但也受地质条件限制,不易广泛推广。连续采煤机主要有工作面回采和巷道掘进两种功能[3]。随着巷道设计理念及掘进量的不断更新及增加,巷道掘进中连续采煤机的应用不断拓展。如连续运输及间断式运输等作业方式,在此作业方式中所用的设备主要有锚杆钻车、连续采煤机、可伸缩式输送机和连续输送系统等;而间断运输施工所用设备主要是带式可伸缩输送机、给料破碎机、连续采煤机、锚杆钻车和运煤车等。连续采煤机可完成装煤、落煤等环节,运输系统和运煤车作业实现运煤工序,锚杆钻车完成巷道支护,破碎转载由破碎机完成,且通过局部通风机和负压通风联合通风方式进行通风。由此可见,连续采煤配套设备可用于多巷或双巷掘进,可灵活调整掘进高度,能够实现支护、掘进平行作业,掘进尺度大且断面成形状况好,施工相对灵活,设备配套形式多样。但其不足是截割头不可摆动,断面均是矩形断面,不易管理现场,对地质条件要求较高,掘进效率不高且难以确保循环控顶距。
  目前,我国巷道掘进多为掘锚分步施工,相关统计显示,单个循环支护时间为其总时间的60%,截割时间约占20%至30%,其余为系统故障影响时间。巷道掘进成巷效率主要由支护作业时间决定。同时,如果掘进施工环节配套不够完整,装备效能不能充分发挥等也是影响掘进速度的重要因素。在巷道快速掘进研究中,国内外常以提升施工的机械化程度和锚杆支护效率为主。为确保掘进速度的高效快速与快速发展的锚杆支护技术相适应,许多产煤国对其不断的研究和探索,将锚杆钻机和掘进机相融合,利用将锚杆钻机安装在掘进机上,以一台设备同时完成掘进中的锚杆打眼、装煤、安装及落煤等功能。研制了掘进、掘锚机组和支护的一体机。
  掘锚一体机是掘进机和锚杆支护的集合设计,但从生产实践来看,该一体机的应用效果不太理想,仅能在特定地质条件下获得应用,多数情况下其掘进率仍很低,不能满足时代要求,仍然不能解决掘锚平行施工作业的问题。加上巷道施工工艺及条件限制,对提升巷道掘进效率也产生了一定的影响。
  2 巷道掘进技术及设备中存在的问题
  悬臂式掘进与锚杆钻机配套的掘进工艺是当前我国煤矿开采常用的工艺,但这并非是实现了掘进的机械化,只是在运煤和截割方面实现了机械化,在供水、支护、材料、供电等环节仍是以人工为主。在工艺上,锚、掘工序仍是空间内有限交替作业,对安全施工及施工效率都有严重影响。我国掘进技术同装备也获得了极大发展,但其自动化程度和机械化程度仍较低,智能化技术应用较少。
  机械化程度不高和缺乏系统性是当前我国悬臂式掘进作业中存在的问题之一。桥式转载机、锚杆钻机和悬臂掘进机、带式输送机等配套作业是我国常用的掘进作业技术,在此作业中,各工序不够集中,需要准备的时间较长,许多工序仍是以人工来操作,缺乏机械性和系统性,这种作业环境并非真正意义上的机械化掘进。同时,在安全及成本等因素的影响下,巷道空间通常狭小,当前的掘进技术需在截割后实施交替支护作业,支护和截割都在巷道迎头,操作空间非常有限,给安全及作业效率带来严重影响。尽管近年来我国对悬臂式掘进实施了离机遥控和断面监控等研究,且取得一定成果。但仍缺乏在线诊断故障、自动定位导航等核心技术,巷道掘进装备的自动化程度仍然不高。   作为系统性工程的巷道掘进由截割工序开始到完工,材料运输、截割、定向测量、供水、除尘、通风及供电、巷道支护等环节需要整合并辅以智能化、自动化技术,以形成均衡联系、互相配合的高效率生产系统,方能有效地提高煤矿开采掘进的效率及经济效益。
  3 掘进技术及设备发展趋势
  从上述巷道掘进技术及设备中存在的问题可知,未来掘进技术发展的趋势主要是集成化系统性、智能化的方向发展。巷道掘进作业具有较强的系统性,不断改进作业工艺模式需要探索和实现其配套装备的一体化和自动化掘进,利用成套的快速掘进装备,通过不同配套模式,实现运输、支护、掘进平行作业,为煤矿巷道供电供水、除尘、运输及支护、控制等成套的解决方案,并增强其适应性,能够应用在各种煤层的巷道中。
  掘锚机高速掘进系统装备。快速掘进系统装备主要是掘锚机,常用于围岩稳定性强且地质条件简单的近水平矩形煤层巷道。装备系统构成为跨骑式锚杆钻车、破碎转载机(履带式)、掘锚机、自移动迈步机尾、可弯曲转载机(带式)、自动除尘及移动式力站等系统构成。该系统主要在完成掘锚机割煤后利用破碎装载机(履带式)转运物料,而后有弯曲转载机运至带式装载机。与此同时,锚杆转载车(跨骑式)也完成巷道支护,该钻车下部中空,安装在可弯曲转载机上端,可平行、掘锚分离作业。
  悬臂式快速掘进系统。该系统的地质适应条件较广,掘进断面无限制。综掘式快速掘进装备由带式转载机、悬臂式掘进、自移机尾、除尘系统、动力在等构成。悬臂式掘进机完成割煤并将物料运至云锚机,由转载机和自移机尾运送到后配套转载机。悬臂式掘进机由多臂锚杆和机载单臂锚杆支护,自带钻臂系统完成锚索和滞后锚杆支护,以完成掘锚平行施工。
  超前支护+悬臂式掘进系统。该系统不受地质条件限制,适用于拱形断面、矩形巷道掘进。系统构成为:悬臂式掘进、自移机尾、临时支护支架、动力站、带式转载机、除尘系统及云锚机等。施工流程为完成割煤后,超前临时支架及时支护顶板,对物料进行截割后通过装运系统送至云锚机,经转载机和自移机尾输送至带式转载机。超前钻探机能够用于迎头地质异常体的探测,截割时自带钻臂系统能够完成锚索和锚杆支护,以完成平行掘锚作业。
  此外,智能化技术的应用也是掘进技术的未来方向,是提高掘进效率的重要技术支持。快速掘进系统中,其巷道掘进能力及效率均与其机械化程度相关,如果在掘进系统及设备中有效应用智能化技术,可以大大提高配套设备的机械化程度。智能化设备能够依据施工现场状况对工作状态进行自动调节,还可对工作方式进行自主规划。智能化技术在快速掘进技术中的应用主要表现在自动导航、位姿、故障诊断、状态监测及远程通讯、配套设备等模块上。采掘技术的智能化使煤矿开采装备走向精细化,能够有效地提高掘进效率,提高了煤矿生产的安全性和高效性,且降低了人力成本。当前,世界各国对智能化技术进行了大量研究,我国一些研究单位及高校也对其进行了探索研究,如对规划截割轨迹及自适应截割等方面,利用遗传算法、模糊理论、神经网络等新算法研究,为提高掘进技術工程指引了方向。但我国掘进技术的智能化研究刚刚起步,现有的智能化技术的应用不够成熟并缺乏可靠性。
  在状态监测、煤岩识别和诊断故障、通讯技术等方面是国外研究的重点,其将红外摄像同截割机械振动特征等相结合,利用数据分析识别煤岩边界,井下现场试验和理论分析均获得了正确结果,且采用可靠无线传感器、机载网络设备对其振动、温度和油液泄露等问题进行动态监测,进而能够实现故障整段的可视化,对于认可形式的控制及监测系统,都能通过高宽带网络来实现。有研究将激光扫描技术应用在煤岩分界识别技术中,试验显示激光扫描模式为二进制,此处理方式明显优于红外摄像机的处理繁琐,且简单而快速。采集截割臂运动、工作视频及截割参数等参数并上传到机载处理器中,与地质信息和自动截割控制软件等相结合,完成掘进机路径计划算法,对各个截割参数及轨迹进行自动调整,从而实现了其自适应截割。
  总之,当前我国煤矿掘进技术所用的设备均是高自动化、大功率的装备,提高了工作面的单产,掘进速度得到一定提高。但掘进技术中仍存在机械化、自动化程度低及系统性不强,缺乏智能化技术的应用等问题。这给掘进配套设备提出了较高的要求。可见,提高综掘技术、智能化和设备性能等是实现快速掘进的重要保障,也是确保煤矿安全高效生产的重要渠道。
  参考文献:
  [1]陈玉章.煤矿岩巷安全高效掘进技术现状和发展研究[J].山东工业技术,2019(07):78.
  [2]吉继海.机电自动化技术在煤矿掘进工作面中的应用分析[J].能源与节能,2019(03):113-114+116.
  [3]齐泽锋.复杂地质条件下的采煤掘进支护技术分析[J].能源与节能,2019(03):142-143.
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