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半煤岩及复杂条件下智能化快速掘进工程实践

2024-08-14 9 上传者：管理员

摘要：为研究在大埋深、高瓦斯含量、半煤岩、顶底板水等复杂地质条件下的智能快速掘进，对黄陵矿业一号煤矿632回风顺槽采用掘锚一体机掘进成套装备配套、性能分析、灾害治理、智能控制等方面进行了应用分析，提出最佳的配套实施方案，形成了具有黄陵煤矿特色的智能快速掘进技术体系，实现了该巷道复杂地质条件下掘进的快速化、智能化、少人化。研究结果可在黄陵矿业一号煤矿同类巷道施工时推广应用。

关键词：
半煤岩巷道
复杂条件
快速掘进
智能化
综采工作面装备
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1、工程概况

陕西陕煤黄陵矿业公司一号煤矿位于陕西省黄陵县店头镇，为国有重点大型企业，原设计生产能力为4.20 Mt/a,2010年核定矿井生产能力为6.00 Mt/a。全井田共划分为十四个盘区。632回风顺槽位于六盘区北部，东接北二进风巷，南邻632进风巷道（尚未掘进），西与井田边界接壤，北邻灾害探查巷。对应上部地表为低山林区，沟壑纵横。上覆岩层厚度为462.3～517.1 m左右。掘进范围内煤层平均厚度2.2 m，中间夹矸白砂岩平均厚度1.1 m。煤层瓦斯含量平均5.53 m3/t。煤尘具有爆炸危险性。

当前，在国内智慧煤矿建设进程不断加快的背景下，综采工作面装备智能化发展迅速，但是综掘工作面地质条件复杂、环境恶劣，装备相对落后。针对黄陵一号煤矿高瓦斯、半煤岩，岩石截割硬度高，埋深大矿压显现剧烈、顶板支护任务重，瓦斯粉尘威胁大等复杂地质条件掘进难题，研发与实践成套快掘系统迫在眉睫。

2、掘进成套装置

“632回风半煤岩智能快速掘进系统”主要由EJM560/4-2T掘锚一体机、MZHB4-1200/25锚杆转载机、DZQ100/100/45带式转载机、DWZY1000/1200(C)迈步式自移机尾、KDYZ40-40/2000自移列车、WCL2Y履带运输车、GZC0.4/45抓管机等组成，如表1所示。主要适用于半煤岩巷道的全断面一次成型快速掘进，安全性高，可提高巷道掘进机械化程度，提高掘进机开机率，减轻工人劳动强度，提高效率[1]。

表1 632回风半煤岩智能快速掘进系统设备组成

2.1 EJM560/4-2型掘锚一体机

掘锚一体机是针对半煤岩巷道掘进而开发的掘锚一体化装备，能同步完成掘进和支护作业，采用全宽截割滚筒一次成巷，其锚护装置共有6组，包括4组顶锚机构和2组帮锚机构，主要负责顶部锚杆和侧帮锚杆的及时支护，实现智能快速掘进。掘锚一体机可满足煤矿半煤岩巷道掘进要求，机身通过高度1.8 m（不含机载除尘器），适用巷高最低2.2 m；采用大功率截割电机，经济截割煤岩硬度f≥6（夹矸≤400 mm时f≥8），截割滚筒单刀力大，截割效率高。

2.2 MZHB4-1200/20煤矿用锚杆转载机

锚杆转载机主要由卸料部、受料部、破碎部、行走部以及锚护装置组成，能跟随掘锚一体机转载物料，牵引带式转载机移动。锚护装置包括2台自动锚索钻机和2台侧帮锚杆钻机，能同时完成中间锚索和底部侧帮锚杆的滞后支护。

2.3 DZQ100/100/45煤矿用带式转载机

带式转载机能实现锚杆转载机和迈步式自移机尾之间的物料转载，带宽1 m，运量1 000 t/h，满足智能快速掘进系统的运量要求。带式转载机主要由卸料小车、搭接小车、机头部、中间架、机尾部组成，有效搭接行程20 m。其成套闭锁控制系统能实现皮带启动顺序联动闭锁。

2.4 DWZY1000/1200(C)型迈步式自移机尾

迈步式自移机尾自带动力系统，通过抬升和推移机构，可实现液压迈步式自移，步距1.2 m，能够完成胶带机尾的快速延伸。

2.5 KDYZ40-40/2000自移列车

迈步式自移列车能够实现掘进工作面辅助作业装备的集中管理。通过迈步式动作，能实现平板车和轨道的交替自移。平板车采用垂直提升方式，确保升降平稳，配有专用轨道和轨道提升装置，能自适应巷道坡度变化，保证设备列车在0°～12°的坡道上正常行走，专用轨道间通过销轴铰式连接，实现设备列车防跑车和防掉道。

3、灾害治理技术

3.1 瓦斯治理

在632回风顺槽掘进时每隔60 m施工一个钻场，每个钻场各布置16个本煤层钻孔，包括4个掘前预抽钻孔（1#、2#、3#、4#),10个本煤层预抽钻孔（3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#），顶底板孔（15#、16#）。所有钻孔沿煤层布置，使用φ94 mm钻头施工钻孔，φ113 mm钻头扩孔。钻孔使用2台钻机同时施工，其中超前钻机施工4个掘前预抽和2个顶底板孔，第二台钻机为ZYWL-4000Y全方位型履带式全液压智能钻机施工其余本煤层钻孔，钻孔情况如表2所示。

表2 钻孔情况

3.2 水害防治

根据水文地质资料分析，632回风水文地质因素为顶板水、构造水、钻孔水。掘进过程中，采用物探、超前探查两种手段对工作面前方区域进行探查，保障工作面安全。

(1）物探。掘进过程中对632回风顺槽掘进超前区域采用YTD-400(A）型全方位探测仪进行直流电法超前物探，查明掘进前方水文地质灾害情况，为钻探探查提供依据。

(2）钻场超前探查。沿掘进顺槽上帮侧每60 m布置一个钻场，每个钻场共布置2个超前探查钻孔。钻孔设计长度为150 m，采用普通钻机施工，钻孔情况如表3所示。沿掘进顺槽下帮侧每500 m布置一个钻场，每个钻场共布置2个超前探查钻孔，钻孔设计长度为600 m。采用定向钻机施工，钻孔情况如表4所示。

表3 钻孔布置情况

表4 钻孔情况布置

(3）现场防治水措施。①如遇顶板淋水采取顶板用导水管导至水仓处集中进行排水，或在下帮侧挖水沟，将顶板淋水导至水仓处集中进行排水；②遇底板渗水将采取在渗水地点挖小水仓设泵集中排水。

3.3 粉尘治理

粉尘防治方面则采用机载湿式除尘风机和泡沫除尘等多元除尘技术组合，具备双模式切换功能。在自移机尾处再架设一台除尘风机，将吸风口用矩形风筒延伸至掘锚机上，其中10微米以上的粉尘除尘效率高达99%以上[2]。

3.4 顶板管理

(1)632回风顺槽顶锚杆采用φ20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚杆中间两排锚杆间距1 000 mm，两侧两排锚杆间距850 mm，排距1 000 mm，每根锚杆消耗3节MSK2335型树脂，配套钢托板尺寸200 mm×200 mm×12 mm，“六--六”矩形布置。锚索梁采用T140型钢带加工，梁长4 800 mm，一梁四索，排距1 000 mm。锚索采用φ17.8 mm×10 300 mm防腐钢绞线，锚深10 000 mm，每根锚索消耗3节MSK2370型树脂，配套钢托板尺寸：80 mm×80 mm×10 mm。帮锚杆间排距800 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置；上帮为φ20 mm×2 500 mm玻璃钢锚杆（除使用配套托板外另增加木托板，木托板规格为350 mm×200 mm×50 mm），每根锚杆消耗3节MSK2335型树脂；下帮为φ20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆配套使用200 mm×200 mm×12 mm钢托板，每根锚杆消耗3节MSK2335型树脂。帮部施工锚杆前先挂塑钢网，网孔55 mm×50 mm，顶部支护锚杆前挂φ6 mm金属网，网孔100 mm×100 mm。第1、2、3排帮锚杆支护距工作面不得大于4 100 mm，顶锚杆支护距工作面不得大于2 500 mm，锚索支护距离机载临时支护尾部不得超过20 m。巷道支护情况如图1所示。

图1 巷道支护情况

(2)632回风顺槽安装36台顶板离层传感器，第一台传感器安装在632回风顺槽三岔口向里50 m处，以后每隔100 m安装一台，在巷道交叉口或倒车硐室等断面较大的巷道处需加装一台离层监测仪，若每隔100 m安装一台离层监测仪与断面较大区域相距较近，也可以根据顶板情况增减离层监测仪。离层传感器安装时有两个测量基点（A基点、B基点），A基点为深部基点，深10 m;B基点为浅部基点，深2.4 m。报警值为：≥100 mm。

4、智能控制系统

4.1 智能风机

工作面配套辅助使用的ZFJ1140矿用智能局部通风机，能够实现自动运行、按需供风、恒定风量切换，故障检测、防震减灾等功能，为整个巷道提供稳定高效的通风保障。

4.2 智能钻机

ZYWL-4000Y全方位型履带式全液压钻机。该钻机是目前国内唯一能实现全自动钻孔施工的煤矿钻机。主要由操作台、遥控器、机械手等组成，整体履带车布置，结构紧凑、操作灵活、机动性好。该智能钻机拥有两种操作模式；地面远程控制模式和现场遥控操作模式，具有钻机自动上下钻杆、钻杆计数、无线遥控操作、一键启停钻机、智能防卡钻等功能。不仅适合黄陵矿业公司一号煤矿AI+NOSA的智能风险管控理念，而且具有更鲜明的“三高一短”特点，即作业效率高、智能化水平高、安全性能高、辅助作业时间短。

4.3 掘进智能化控制系统

632回风半煤岩巷道智能快速掘进系统集自动跟随行走、锚护电液控制、自动锚索支护、安全防护技术、远程集控技术于一体，能够满足该矿半煤岩巷道智能快速掘进要求。

(1）自动跟随系统。当掘锚一体机行走到位后，锚杆转载机和自移机尾能通过导向定位系统，以已掘巷道为基准，自动跟随行走并及时纠偏，自动跟随系统如图2所示。

图2 自动跟随系统

(2）锚护电液控制和自动锚索支护。锚护采用电液控制，可自动锚索支护，锚杆钻孔可一键启停自动控制，并能根据岩石硬度实时调整钻进速度，其配套使用的自动钻孔模块和电磁控制锚杆钻机为国内首创，具有负载压力复制功能，能够实现自主接杆、拆杆、调速等功能，并能进行锚杆计数、故障预警、锚固质量检测等。

(3）安全防护技术。安全防护技术除可对掘进工作面进行人员管理外，还能对掘锚一体机进行精准的位置监测，同时可监测其运动状态，定位精度不大于30 cm。

(4）远程集控技术。远程集控技术则是掘进工作面井下分控中心和地面调度室远程控制中心。通过万兆网向该设备发送控制指令进行远程控制。控制功能包括：一键启停设备、控制履带行走、截割升降调节、协同作业等。

4.4 掘进规划截割

规划截割控制系统主要包括位姿监测单元（惯性导航系统、里程传感组合系统、视觉成像系统、全站仪）、数据采集与传输单元（光纤以太环网）、智能截割单元（高精度算法运动控制器）、远程控制单元等。其创新性地融合机载测距传感器、导航单元、透明地质系统数据，以设计巷道中线为基准，采集已掘区段约30个截深的截割路径信息，进行综合规划并自主行走与调机。掘进规划截割如图3所示。

当掘锚一体机接收到自助规划截割指令后，通过机载电流传感器、振动传感器等综合分析，精准识别煤层与夹矸，结合截割工艺采用不同截割策略，自主规划截割轨迹，在保证设备安全与断面成型质量的前提下，大大提升了掘进工作面成套装备的自动化水平，有效提高截割速度。同时以Unity3D虚拟现实软件为搭建平台，建立未融合前的异类多源信息数据库，并将融合后实时的截割位姿参数和截割实时动作进行三维动态关联展示，进行数字孪生实时状态映射。

图3 掘进规划截割

5、结语

通过掘锚一体机等掘进成套装备的应用实践，632回风顺槽能实现“掘—支—运”多工序平行作业，完成快速掘进。这种智能化掘进与以往掘进生产相比，人员从15人减少至7人，月综合单进由350 m提升至650 m，掘进效率提升40%左右。智能化掘进配套装备通过三维建模、导航雷达定位控制、设备精准控制等协同联动实现自主规划截割，为掘进智能化发展提供坚实的基础，为推进“智慧矿区，智能矿井”贡献力量。智能化掘进配套装备还可以通过使用掘前探查钻机，与智能钻机形成“大小钻”组合，为瓦斯、水害等灾害治理奠定扎实的基础；在迈步式自移机尾上加设的2×22 kW的后置除尘风机，搭载矩形橡胶风筒，在生产过程中，与掘锚一体机上的机载除尘风机组合，从源头提升防尘效果。

参考文献:

[1]雷贵生,黄伟,马骋.黄陵矿业智能化快速掘进技术实践与创新[J].智能矿山,2022,3(6):55-61.

[2]张永.煤矿井下巷道新型掘进技术的应用[J].江西煤炭科技,2022(4):48-51.

文章来源:成飞,陈博,王威.半煤岩及复杂条件下智能化快速掘进工程实践[J].江西煤炭科技,2024,(03):1-4.