河南大有能源股份有限公司常村煤矿 河南 472300
摘要：煤炭资源是我国重要的能源之一，为我国经济和社会发展做出了重要贡献。我国煤矿开采强度高，巷道掘进量巨大，对巷道支护质量和掘进速度有着严格的要求。巷道掘进速度直接关系到煤矿开采的效率、产量和安全。目前，许多煤矿巷道掘进速度较慢，满足不了矿井正常生产接替需求。为了解决这一问题，许多新设备、新技术和新工艺不断涌现，自动化和机械化巷道掘进技术得到广泛应用，形成运输、支护、掘进一体化、智能化是巷道掘进技术发展的未来趋势，这也是降低煤炭开采成本、高效安全生产的重要途径。
关键词：快速掘进；掘锚平行；配套技术；
叙述了我国煤矿快速掘进技术装备的现状和存在的问题，指出了制约我国快速掘进的主要因素，阐述了国内快速掘进技术装备，提出了我国未来快速掘进技术装备的发展方向。
1 存在的问题
1.1 悬臂式掘进机机械化掘进线路存在的问题。悬臂式掘进机的机械化掘进线不是真正意义上的综合机械化掘进技术。悬臂式掘进机的机械化掘进线由于掘进科学体系水平低，机械化能力低，在实际掘进过程中只实现切割和运煤，许多掘进过程仍需要人工操作。因为这些流程比较分散，需要大量的准备时间。同时，开挖前有限空间内开挖和锚固工序的交替作业严重影响施工效率和作业安全。
1.2 连续采煤机与锚杆钻机配套作业线存在的问题。连续采煤机和锚杆钻机车配套作业线主要通过连续采煤机和锚杆钻机车完成掘进过程。因此，当连续采煤机完成一定长度的作业时，必须转移到另一条巷道进行作业。只有这样，锚杆钻车才能进入连续采煤机作业的巷道进行锚杆支护作业，这种作业方式给煤矿开采技术带来了一系列的作业问题。具体问题如下：首先，当连续采煤机和锚杆钻机交叉作业时，应同时开挖两条以上的巷道。因此，连续采煤机和锚杆钻机的配套作业线只能应用于双巷和多巷采掘作业。其次，连续采煤机和锚杆钻车在进行交叉作业时，需要花费大量的动员时间来转移采煤机，这极大地影响了连续采煤机和锚杆钻车的掘进效率。第三，为了保证连续采煤机与锚杆钻车配套作业线启动率的经济合理性，需要保证连续采煤机的切割深度和巷道顶板的稳定性。由于掘进过程中需要多次调动掘进设备，需要保证巷道底板的稳定性和安全性，限制了连续采煤机和锚杆钻机配套作业线的应用范围。第四，连续采煤机和锚杆钻车的掘进过程复杂，系统操作繁琐，导致设备投资增加。第五，由于连续采煤机和锚杆钻机配套作业线的工艺系统比较繁琐，需要保证作业线作业人员的专业水平和熟练程度达到作业线的作业标准，作业线的严格作业标准导致连续采煤机和锚杆钻机配套作业线范围受到限制。
1.3 掘锚一体化存在的问题。从实际应用过程来看，掘锚一体化并没有取得很好的应用效果。掘锚一体化在地质条件较好的地区可以取得应用效果，但在许多矿区仍不能达到满意的施工和建站效果。由于掘锚机组一体化只适用于煤巷掘进，导致后期维护成本较高，而且掘锚机组设备庞大，不仅导致掘进工作面安全通道面积减少，而且容易陷入不稳定的占地面积，工人需要花费大量时间挖掘。同时，掘锚机组集成设备调试安装周期长，设备体积大。操作者进行支护作业时，操作者的位置受到很大阻碍，威胁操作者的安全。
2 煤矿巷道快速掘进技术现状
近年来，随着掘进机技术的快速发展和锚杆支护技术的普及，我国煤矿巷道掘进技术从人工和爆破开挖为主，逐渐形成了以掘进机为主的三种机械化掘进技术：（1）悬臂式掘进机和单锚杆钻机支护作业线；（2）连续采煤机与锚杆钻机车的配套作业线；（3）掘锚机组掘锚一体化的掘进。其中，第一匹配线因其适应性好而被广泛使用，但其掘进速度较慢。第二种需要交叉换位施工，对地质条件要求较高，仅在我国神东、榆林部分矿区推广应用。第三类掘锚机组可实现掘锚同步作业，在条件适宜的地区可显著提高掘进效率，但对地质条件要求也较高，推广受限。据不完全统计，一个周期内，支护时间占总时间的50% ~ 60%，切割占20% ~ 30%，系统故障影响10% ~ 15%。支护作业时间是影响巷道成型效率的关键因素。此外，掘进施工中各环节配合不完善，设备效率发挥不足也是造成掘进速度慢的重要因素。
为了实现煤巷快速高效掘进，适应锚杆支护技术的快速发展，世界主要产煤国一直在探索和研究，将掘进机和锚杆钻机合二为一。通过在掘进机上安装锚杆钻机，用一台设备完成落煤装煤、巷道掘进中钻孔安装锚杆的功能，研制出锚杆驱动装置和掘进支护一体机。本发明实现了锚杆支护设备和掘进机的一体化设计。但是从现场应用来看，效果并不理想。除了部分地质条件较好的矿山，大部分情况下掘进效率仍然不尽人意，核心问题是掘进和锚固平行作业无法解决。此外，由于巷道条件、施工工艺等影响的制约，巷道掘进效率的提高也受到制约。
3 发展的方向
3.1 系统集成。将巷道掘进施工作为一个系统工程进行分析，改进技术模式。在此基础上，探索配套设备，实现自动化、一体化掘进开挖。通过快速掘进巷道的成套设备，采用不同的支护方式，实现掘进、支护、运输的平行作业，为巷道掘进、支护、运输、通风、除尘、供电、给排水及控制通信提供整套解决方案，形成适合不同煤层条件的煤巷和煤岩巷道。（1）卷扬机的快速挖掘系统。主要配备卷扬机的快速掘进系统主要用于地质条件简单、围岩稳定的近水平煤层中的矩形巷道掘进。该系统主要由掘锚机、履带式破碎装载机、跨锚钻机、柔性带式装载机、自移机尾、自移电站和除尘系统组成。具体工作流程：掘锚机割煤完成后，物料输送到履带式破碎装载机，再由柔性带式装载机输送到后方配套带式装载机。在掘锚机工作的同时，跨座式锚杆钻机平行完成巷道锚杆支护，跨座式锚杆钻机下部中空，跨在柔性带式输送机上部，实现掘锚的分离和平行作业。（2）悬臂式掘进机快速掘进系统。本系统可以用于各种地质条件下的巷道开挖，开挖断面不受限制。该系统主要由悬臂式掘进机（机载锚杆钻臂系统）、锚杆输送机、带式装载机、自移式机尾、电站和除尘系统组成。具体工作流程：悬臂式掘进机割煤完成后，将物料转移到锚式输送机上，然后通过带式输送机和自移式尾部转移到后支撑带式输送机上。悬臂式掘进机机载单臂或多臂锚杆钻臂系统切割后完成迎头锚杆支护，运锚机通过自身钻臂系统同时完成锚杆和锚索支护，实现掘进和锚固平行作业。（3）悬臂式掘进机+超前支护快速掘进系统。悬臂式掘进机+超前支护快速掘进系统主要用于各种地质条件下矩形或拱形断面的巷道掘进。该系统主要由先进的临时支架组、悬臂式掘进机（机载先进钻机）、锚式输送机、带式装载机、自移式机尾、电站和除尘系统组成。具体工作流程：悬臂式掘进机截煤完成后，由先进的临时支架及时支撑顶板，截割物料通过掘进机装载系统收集运输至锚式输送机，再通过装带机和自移机尾运输至后支撑装带机。悬臂式掘进机机载超前钻机可以对巷道迎头地质异常体进行超前钻孔探测。掘进机截割时，锚式输送机通过自身的钻臂系统可以同时完成巷道锚杆和锚索的支护，从而实现掘锚平行作业。
3.2 智能。快速掘进系统具备机械化掘进能力，智能系统可根据具体工况自动调整工作状态，自主规划工作模式。成套快速掘进设备的智能化表现在原位位姿和自动导航系统、切割轨迹规划、地质条件识别和自适应切割、状态监测和故障诊断、配套设备或远程通信等功能。智能开采技术是采煤设备技术由粗放型向精细型发展的必由之路，是提高综合机械化采掘效率、降低工人劳动强度、实现煤矿安全高效生产的主要途径。在国家科技支撑计划和“863”工程的支持和指导下，国内一些高校和科研机构在智能化方面做了大量的探索工作，主要集中在自适应切割和切割轨迹规划方面。通过模糊理论、遗传算法和神经网络等智能算法的理论实验研究，为工程技术应用提供指导。在我国，掘进设备的智能化还处于起步阶段，技术相对落后或不成熟，可靠性差。利用可靠的机载网络设备和无线传感器的应用，对设备的温度、振动和漏油等进行实时监测，构建了一个直观有效的故障诊断系统。在线监测系统实时监测切割臂运动角度、切割参数和工作视频等参数，并采集和传输到机载处理器的数据池。掘进机结合自动切割仿真控制软件和地质条件信息，完成路径规划算法，自动调整各轨迹和切割参数，实现掘进机自适应切割。
总之，煤矿巷道快速掘进技术与装备的发展研究，可以促进煤矿开采技术的提高和煤矿开采装备科技水平的发展。由于煤矿开采过程中仍存在采动关系不平衡等一系列问题，因此有必要提高煤矿开采设备的性能。只有实现采煤设备和综合快速掘进技术的智能化发展，才能实现集约化、高产矿井的可持续发展趋势。
参考文献：
[1]刘国忠. 煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术. 2019.
[2]王峰，浅谈我国煤矿巷道快速掘进技术与装备发展现状.2020.