巷道修復技術的發展趨勢

王 赟

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

2018年1月18日國家統計局發布數據顯示，2017年全國累計生產原煤344546萬噸，同比增長3.2%。其中產煤大省內蒙古、山西、陜西和新疆4省約占總量的70%，且開采煤田深度大部分在-300米以上水平位置；其余各省份產量約占總量的30%，開采煤田深度大部分在-600米以下水平位置。隨著礦井開采深度的逐年加深，今后4大產煤大省的礦井開采深度也將逐步進入-600米以下水平位置。

根據礦井開采經驗和礦壓分布規律可知，-300米以下開采時，巷道受礦壓影響變形將會顯現；當礦井開拓延伸到-800米左右，巷道在地壓應力的影響下穩定性會變的越來越差，尤其是礦區內巖層節理裂隙發育、巖層呈破碎狀時，變形將會更為嚴重。除此之外，在采動的影響下，巷道原本穩定的圍巖也會表現出嚴重的變形收縮，收縮率達到28%～32%，造成巷道斷面變小，影響通風、運輸和人員行走，甚至有的巷道出現片幫、底鼓甚至冒頂等不利于礦井安全生產的問題。因此，為了保證巷道的正常使用，巷道修復技術將成為今后礦井生產中必不可少的一項技術。

1 常規巷道修復方式

目前礦井進行的巷修工作主要是臥底、刷幫、調頂、支護、補換軌枕、修復水溝等，修復的巷道都是變形十分嚴重且已經影響到礦井的正常生產運行。修復工藝以人工修理為主，少量配備機械化設備，具體施工流程如下：

（1）人工方式：工人手持風鎬、鐵鍬將變形巷道破碎了的巖石敲擊下來，完成刷幫、調頂作業；對于底鼓變形較為嚴重的地方，進行臥底作業。同時人工將廢舊的錨桿、U型梁等支護器材及時拔出，并重新使用金屬支架或錨桿、錨索進行支護；如發現水溝堵塞需清理干凈，軌枕損壞或丟失需補齊。工作中產生的巖石、廢料人工通過鍬將其裝到皮帶機或礦車上進行清理運輸。人工修復方式靈活方便，適應任何尺寸的巷道斷面維修，但是存在工人勞動強度大、效率低下，甚至頂部維修時需要搭腳手架，作業人員經常處于無支護狀態下工作，存在重大安全隱患。

（2）機械化方式：井下機械化巷道修復設備一般具有行走、運輸、破碎、挖裝和支護等功能，操作人員將其運行到預定修復地點，按照巷道所需的斷面要求，完成變形巷道的臥底、刷幫、挑頂、錨護，以及廢舊物料的裝運轉載等工作。機械化修復方式比人工修復方式效率要高，安全性要強。但是機械化修復存在設備適應性差，操作維護不太便利等局限。

常規修復都是在原有變形巷道的基礎上進行的返修工作，修復完成后巷道仍然會受地壓應力、采動影響發生變形，這樣會造成巷道“修復-變形-修復”的惡性循環，給用戶人力物力帶來巨大的浪費。

2 自動化巷道修復方式

自動化巷道修復方式是采用機械設備代替人工去修理巷道，同時在設備中植入信息自動處理和自動控制功能，保證巷道修復設備的各個執行機構能按照預定的要求完成各項動作。自動化巷道修復方式中使用的巷道修復機控制和檢測的靈敏度、精度以及范圍比機械化修復使用的設備有大幅度的提高。自動化巷道修復的主要設備包括履帶行走式破碎機、挖掘機、裝載機、運輸機、錨桿機、剪錨機、拔樁機及氣動切割機，其中破碎機可根據巷道變形的多少自動完成巖石破碎，剪錨機或氣動切割機將廢舊的錨桿剪斷，拔樁機將扎人巖石內的棚梁拔出，挖掘機、裝載或運輸機可將破碎的物料自動裝載到礦車或帶式轉載機上并轉運到外運順槽設備上，錨桿機或架棚機可根據巷道斷面自動完成錨護和架棚工作。自動化巷道修復中使用的設備具有自動監視、報警、自動診斷、自動保護等功能。工作中出現的過載、過壓、過流、短路等電力故障都可以采取自動保護措施，避免和減少人身與設備事故，提高設備使用的安全性。

自動化巷道修復方式提高了施工工效，節省人力，降低了工人的勞動強度，修復中等變形條件的巷道進尺是人工的1.6倍；自動化巷道修復方式安全性高，可以近距離刷幫、挑頂，并及時支護，縮短了空頂時間，避免了作業人員近距離與圍巖接觸，提高了作業空間的安全性。自動化修復方式存在的問題是所有修復動作都是按照預定程序設定的，修復過程中設備缺乏分析、推理、判斷、構思等功能，當巷道條件與設定情況發生變化時，自動化修復方式將不再能按要求完成修復任務。

3 智能化巷道修復方式

智能化巷道修復技術是利用計算機控制的巷道修復機模擬、延伸和擴展人的智能，感知井下工作環境，獲取巖石變形情況，并使用巷道修復機上已有的工作機構完成變形巷道的修理，同時對即將發生變形的巷道進行及時有效的支護或掏槽泄壓。智能化巷道修復技術應具有狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升這五大基本功能。

狀態感知是通過安裝在巷道橫截斷面內的激光測距傳感器監測巷道內各監測點之間的距離變化，采集的數據通過ZigBee無線傳輸技術傳輸給智能巷修機主機，主機對當下狀態的數據進行快速、準確推理與實時分析，計算出巷道巖石的實際變形量，同時向智能巷修機機械臂做出加強支護、掏槽泄壓或修復改善的決策。主機得到修復任務后通過機械臂上的各個執行元件做出修復動作，同時通過安裝在機身上的壓力、流量、位移、溫度等傳感器將修復數據及時傳輸給主機，主機將采集到的巷道斷面變化數據與巷道斷面要求數據再次進行實時對比分析，并自主發出修復與停止的決策指令，直到修復任務完成。巷道修復過程中的臥底、挑頂、錨護通過主機操作和傳感器測試可精準執行。此外，智能化巷道修復技術可以連續監測巷道的巖石變形量，準確地預測出巖石最大限度發揮塑性區且承載能力又不出現松動破壞的時刻，這樣便為巷道贏得最佳的支護時間；各監測點也可以準確的監測到巖石應力集中點和巖石強度薄弱點，為巷道獲取理想支護位置。智能化巷道修復技術要存儲修復數據，同時定期要把檢測到的已修復巷道數據傳輸給主機，主機通過對比分析修復效果后對以后的修復工藝及時調整，直到理想為止。

4 結論

隨著工業智能化技術水平的與日俱增和工人職業健康理念的逐步提高，煤礦井下惡劣環境中從業人員會越來越少，智能化巷道修復作為深部礦井開采中一項不可缺少的技術，它不僅可以遠程完成修復任務，而且可以對巷道變形做出精準預測，為巷道修復支護獲取最佳時間和理想位置。