煤巷快速掘进及支护设备研究分析

随着经济的发展，煤炭资源需求量越来越多。在煤矿生产中巷道掘进是很重要的环节，“采掘并重，掘进先行”，巷道的快速掘进是保证矿井高产稳产的关键。掘进技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。以悬臂式掘进机为主体的高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件。近年以来，随着能源结构与增长方式调整，煤炭产能严重过剩，煤炭经济运行形势日趋严峻，采掘失调、煤巷掘进速度偏低的突出问题愈加严重，矿井开采准备周期长，时间和经济成本高。为实现煤炭企业安全高效生产和低成本运行，因此，突破煤矿巷道快速掘进及超前临时支护技术成为关键性问题。

1 我国煤巷掘进需求巨大

据统计，我国煤巷、半煤煤巷、煤巷的掘进量超过15000km/a，掘进速度和支护质量的要求越来越高。巷道掘进速度的快慢是煤矿实现矿井安全、高产、高效的关键环节，大多数煤矿存在采掘比例失调问题，为缓解巷道掘进引起的回采工作面接续紧张问题，新工艺、新技术、新装备不断涌现。机械化、自动化装备应用于主巷道掘进中的掘、支、运等工序中，掘、支、运三位一体、平行作业是未来巷道掘进技术与装备的发展趋势。

2 煤巷快速掘进的影响因素

2.1  煤層巷道的地质条件

对煤巷进行掘进的时候，巷道条件是对其产生影响的最大因素。如若巷道岩层的硬度过高，便会造成其掘进作业难度更大，且在不断掘进当中会对器械产生比较大的磨损，进而对煤巷快速掘进的效率产生重要影响。除此之外，岩层的实际渗水情况与瓦斯等，都是巷道的实际地质条件。

2.2  掘进设备的技术性能

掘进设备的技术性能是对掘进速度产生影响的主要原因，现阶段，我国的快速掘进设备和发达国家进行对比依然存在差距，这对快速掘进的速度产生巨大影响，特别是对于重型悬臂式掘进机的研究与开发上，我国依然缺少独立技术，这是当前我国掘进设备的不足所在。

2.3  掘进支护的施工工艺

现阶段的煤巷快速掘进中，许多作业都是在支护工艺的基础上，进而对掘进机的效率产生了制约。现阶段，我国最为明显的问题主要是支护作业存在一定的滞后性，例如，对锚杆进行打眼的时候发生跑偏的现象，且对锚杆进行排列方面也是根据经验，造成支护速度没有办法跟上掘进作业的速度。

3 煤巷快速掘进技术

3.1  光面爆破技术

我国在上世纪六十年代开始对预裂爆破和光面爆破进行试验和推广，到七十年代左右已经被广泛应用于水利、地下建筑以及煤矿行业中。煤矿煤巷工程技术在有效统一的光面爆破技术与锚喷支护技术后已经比较完善。在保证施工质量及安全性、提升掘进速度、降低体力消耗和减少材料消耗上，都获得了比较理想经济效益与社会效益。近年来，我国在地下与煤矿工程中广泛应用了光爆锚喷支护技术，并且体现了良好的应用效果，其优势主要有三点：首先，效率得到了提升，便于机械化的开展，有效降低了人工劳动的成本;其次，光爆锚喷施工的质量比较高，降低了围岩松动、破坏以及位移发生的概率，进一步提升了安全性;最后，大幅度降低了成本的损耗。光面爆破其实从本质上讲，就是利用装药构造的独特性，选用科学的光爆参数以及起爆次序，使得实现了光滑、平整岩石壁面的开掘。

3.2  支护技术

实时支撑围岩是在开挖煤巷后必须及时进行的作业内容，以此来避免出现岩石破碎冒落的情况发生。目前，我国在煤矿施工主要采用的是锚杆支护，其主要是利用锚入围岩的锚杆，来改变围岩力学的状态，促使巷道周围形成稳定的岩石带，从而利用锚杆与围岩的一起作用实现巷道的支护。与架棚支护相比，这种支护方式的优势就比较明显，比如可以降低通风阻力、适应能力强、工作安全、巷道变形情况少以及维护成本低等优点。但是，同样这种支护方式也存在着一些不足，如不能有效预防围岩的风化、不能避免锚杆之间裂隙岩石的剥落。所以，在使用这种支护技术的过程中要结合其他的支护手段一起。锚喷支护是近些年来发展和应用较广的一种支护方式，可以最大程度提升其经济效益。

3.3  输送系统技术

在以往的煤巷掘进技术中，绞车、电瓶车以及耙装机是常见的输送方式。这种输送的手段不仅无法最大程度提升输送的效率，还会在输送中存在众多安全问题，会对掘进的速度产生非常严重的影响。因此，需要进一步优化输送的方式，这是提升煤巷掘进技术的重要手段。利用胶带输送机就可以有效解决上述问题，其优势主要有：其由于自动化集中控制手段使得维护和操作起来比较方便，输送成本也得到了降低、并且提升了煤巷掘进管理的安全性以及减少了人工劳动的强度，同时这种输送方式还具有紧凑的结构，使得耗能会相对比较少。

4 临时支护技术

目前，超前临时支护主要有3种形式：

①前探梁、带帽点柱临时支护;
②机载临时支架支护;
③自移式迈步支架支护。

4.1  简易临时支护

对于国内煤矿锚网索支护巷道一般采用带帽（或木板）加木点柱或液压单体柱，支撑在顶部下方作为临时支护。架棚支护一般采用前探梁作为超前临时支护，前探梁一般为工字钢或π梁或钢管，并用圆钢挂钩固定，每根前探梁悬挂点一般为3处，再用木楔楔实吃劲。这种简易的超前临时支护方式对顶板支撑力很小，顶板适应性也不好，支护面积小，工序均为手工操作，劳动强度大，费时费力，支护速度很慢导致顶板空顶时间长，对顶板初期位移抑制效果很小，容易发生冒顶片帮事故，安全性差，不能满足掘进机快速掘进的要求，加剧采掘失调的被动局面。

4.2  各种机载临时支架支护

以悬臂掘进机为平台，加设支架。机载支架虽然在支护速度上相对前探梁快，但还存在缺陷：

①掘进机截割和移动时不能使用支护机构对顶板进行支护，顶板在掘进阶段还会出现空顶的时段;
②机载支架护顶时，截割头和截割臂影响钻孔注锚杆作业，占据大量作业空间，对施工极为不便，导致支护时间加长;
③护顶范围非常有限，对破碎顶板的支护效果微小;
④对巷道片帮没有临时支护，容易发生片帮塌落，存在安全隐患，一定程度上影响掘进速度。

4.3  自移式迈步支架支护

自移式迈步支架虽然实现了液压系统自动移动前进，降低了人工劳动强度，实现了临时支护的机械自动化，也不影响巷道掘进的平行作业，在部分地质情况好的巷道取得了一定的效果，但是支架设计过于复杂，体型笨重庞大，巷道断面适应性不强。空间有限情况下自移不方便，有时成为影响掘进速度的重要障碍，对煤层起伏较大的巷道顶板适应性较差，发生局部冒落，支架移动困难。支架也没有设置护帮机构，对巷道两帮变形不能及时支护。这些都成为影响煤巷道快速掘进的潜在因素，一旦发生故障对掘进速度产生严重影响。

5 结束语

煤巷快速掘进是一个复杂的系统工程，各个环节的安全高效快速都对掘进速度起着至关重要的作用，目前悬臂式掘进机配套锚杆钻机的掘进工艺机械化程度不高，速度不能发生质的飞跃，但是局部细节的改造可以起到显著效果。巷道断面设计、掘进机的局部改造、支护钻架、掘锚护一体机、临时支护挑架都是可以提高掘进速度的方式，科研人员应积极尝试新的想法、新的思路，为快速掘进事业开辟新的路径，任重而道远。