煤礦掘進(jìn)巷道綜合導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用

韓 森

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

傳統(tǒng)的導(dǎo)向定位技術(shù)主要采用經(jīng)緯儀與激光指向等，隨著煤礦開采的復(fù)雜化、大型化，傳統(tǒng)導(dǎo)向定位技術(shù)已不能滿足井下快速掘進(jìn)的要求，需采用新的綜合導(dǎo)向定位技術(shù)，以保證礦井的高效生產(chǎn)[1-5]。本文以E1306上分層膠帶順槽立交跨越東翼輔運(yùn)大巷為工程為例，通過采用綜合導(dǎo)向技術(shù)指導(dǎo)E1306上分層膠帶順槽掘進(jìn)施工，大大提高井下巷道掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)井下巷道的安全高效掘進(jìn)。

1 工程概況

E1306上分層膠帶順槽南接?xùn)|翼膠帶運(yùn)輸大巷（已掘），向東距E1302輔運(yùn)順槽平距27 m（中對(duì)中），東面為E1306采煤工作面；北接E1306上分層充填工作面切眼（未掘）；西面為E1308采煤工作面；南邊為E1302工作面。E1306上分層膠帶順槽開口施工93 m后立交跨越東翼輔運(yùn)大巷，為保證準(zhǔn)確定位跨越風(fēng)橋位置及指向E1306上分層膠帶順槽的掘進(jìn)方向，采用綜合導(dǎo)向定位技術(shù)。

2 導(dǎo)向定位技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)導(dǎo)向定位技術(shù)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上世紀(jì)70年代激光定向技術(shù)逐步應(yīng)用于我國(guó)井下巷道掘進(jìn)施工中。激光定向具有可靠度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是巷道掘進(jìn)施工中較為成熟可靠的定向技術(shù)之一。激光定向的基本原理為調(diào)節(jié)激光指向儀的位置，使激光對(duì)準(zhǔn)通過全站儀定位的3個(gè)中線點(diǎn)，這時(shí)激光指向的方向即為巷道掘進(jìn)方向。掘進(jìn)工可根據(jù)激光在掘進(jìn)頭形成的光點(diǎn)來(lái)進(jìn)行掘進(jìn)施工；然而隨著礦井設(shè)備的大型化及開采條件的復(fù)雜化，單一使用激光定向的弊端也逐漸顯露，主要表現(xiàn)在：井下工作環(huán)境較差、粉塵、水汽等俱存，影響掘進(jìn)工視線，從而導(dǎo)致掘進(jìn)偏差；另一方面掘進(jìn)巷道斷面需要依靠掘進(jìn)工的經(jīng)驗(yàn)來(lái)把握，因此會(huì)出現(xiàn)超挖、欠挖等現(xiàn)象；一些大型設(shè)備在井下掘進(jìn)工作面的應(yīng)用，而大型設(shè)備可能會(huì)遮擋激光指向路徑?；谝陨显?，在現(xiàn)階段的煤礦掘進(jìn)工作中，有必要采取更為先進(jìn)的定向技術(shù)，以精確指導(dǎo)巷道掘進(jìn)方向。

2.2 綜合導(dǎo)向定位技術(shù)應(yīng)用

（1）全站儀測(cè)量控制導(dǎo)線

在E1306上分層膠帶順槽開口標(biāo)定時(shí)，采用全站儀進(jìn)行量測(cè)。根據(jù)E1306上分層膠帶順槽的巷道情況，每150 m布置一站基本控制導(dǎo)線，導(dǎo)線測(cè)量精度為7秒，并在巷道中心測(cè)量定位出不少于三個(gè)點(diǎn)，以進(jìn)行下一步測(cè)量工作。

（2）合理選取激光中心線

激光導(dǎo)向雖然有其弊端，但為更加精確的指導(dǎo)巷道掘進(jìn)方向，同時(shí)定位出風(fēng)橋在E1306上分層膠帶順槽的投影位置，仍保留激光導(dǎo)向作為綜合導(dǎo)向定位技術(shù)之一。為使測(cè)量放線工作順利進(jìn)行，激光定向點(diǎn)的位置需由專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)掘進(jìn)面情況確定。根據(jù)E1306上分層膠帶巷掘進(jìn)面設(shè)備布置情況及巷道斷面大小，選取激光定向點(diǎn)位于巷道左幫0.3～0.5 m處。該位置一方面方便架設(shè)測(cè)量?jī)x器，另一方面不影響掘進(jìn)施工。

（3）全站儀測(cè)量延線

E1306上分層膠帶順槽巷道進(jìn)行延線時(shí)，首先應(yīng)對(duì)上次延線資料進(jìn)行收集和整理。根據(jù)井下測(cè)量控制網(wǎng)及控制點(diǎn)計(jì)算出本次延線所需用的資料，之后進(jìn)行實(shí)地放線，延線應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，標(biāo)定三個(gè)中線點(diǎn)，并保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確性。

（4）人工激光輔助導(dǎo)向

掘進(jìn)施工人員需將激光指向儀固定在E1306上分層膠帶順槽巷道頂板的錨桿上，調(diào)整激光儀角度，使光線通過三個(gè)中線點(diǎn)從而為巷道掘進(jìn)導(dǎo)向，掘進(jìn)工根據(jù)激光儀的光斑進(jìn)行人工激光輔助定向。

（5）慣性陀螺儀的應(yīng)用

慣性陀螺儀具有測(cè)量精度高、安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其基本構(gòu)造見圖1。將其引入煤礦井下測(cè)量導(dǎo)向工作中，將大大提高井下導(dǎo)向精度，且可與激光定位配合使用。E1306上分層膠帶順槽掘進(jìn)定向中，將慣性陀螺儀安裝在掘進(jìn)機(jī)的主框架內(nèi)，掘進(jìn)作業(yè)時(shí)慣性陀螺儀可計(jì)算掘進(jìn)機(jī)與巷道設(shè)計(jì)中心線的偏差，同時(shí)將偏差顯示在屏幕上，以指導(dǎo)掘進(jìn)工及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)，不出現(xiàn)超挖、欠挖等現(xiàn)象。

圖1 陀螺儀基本構(gòu)造

（6）相機(jī)+激光視覺測(cè)量

在巷道指向定位中采用攝像處理技術(shù)是比較先進(jìn)的一種理念，該技術(shù)的基本原理是：通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的高倍攝像機(jī)進(jìn)行目標(biāo)拍攝捕捉，將拍攝的圖片實(shí)時(shí)傳入相應(yīng)的圖片處理系統(tǒng)，將所需的參數(shù)進(jìn)行解析與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比，從而找出偏差，以指導(dǎo)巷道的掘進(jìn)方向；然而目前井下環(huán)境較為惡劣，拍攝圖片質(zhì)量有限，因此該技術(shù)可作為一種輔助導(dǎo)向定位技術(shù)，與激光測(cè)量配合使用，將高倍相機(jī)安裝在掘進(jìn)機(jī)端頭合理位置，以激光作為參考，相機(jī)移動(dòng)時(shí)其捕捉到的坐標(biāo)點(diǎn)位也會(huì)實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)的指導(dǎo)定位方向。

3 掘進(jìn)施工

3.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

距風(fēng)橋20 m前，由地測(cè)部實(shí)測(cè)巷道標(biāo)高，10 m再測(cè)一次，根據(jù)實(shí)測(cè)及時(shí)調(diào)整巷道坡度，保證E1306上分層膠帶順槽按照設(shè)計(jì)標(biāo)高掘進(jìn)；距跨越東翼輔運(yùn)大巷10 m前，在東翼輔運(yùn)大巷立交處提前做好風(fēng)橋砌筑工作（距跨越東翼輔運(yùn)大巷7天前，風(fēng)橋砌筑工作必須完成）。

3.2 跨越掘進(jìn)施工工序

根據(jù)巷道實(shí)測(cè)標(biāo)高測(cè)算，跨越東輔大巷風(fēng)橋段預(yù)計(jì)最大破巖厚度為3.0 m。掘進(jìn)時(shí)嚴(yán)格按照地測(cè)部放置巷道腰線施工，風(fēng)橋位置及前后2 m底板留煤厚度保證≥200 mm。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)能夠有效割上部巖石時(shí)，則采用掘進(jìn)機(jī)割巖，當(dāng)上部巖石硬度較大時(shí)采用放震動(dòng)炮配合掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。下部煤體采用EBZ160掘進(jìn)機(jī)破煤配合人工掘進(jìn)，施工時(shí)先施工上部巖石，后施工下部煤。風(fēng)橋段巖石放松動(dòng)炮：風(fēng)橋位置及前后2 m范圍炮眼深度1100 mm，炮眼間排距400 mm×450 mm。每排布置13個(gè)炮眼，掏槽眼裝藥量為0.6 kg，輔助眼、周邊眼裝藥量為0.4 kg，炮眼封泥長(zhǎng)度600 mm；其余松動(dòng)炮炮眼深度2200 mm，炮眼間排距400 mm×450 mm。每排布置13個(gè)炮眼，掏槽眼裝藥量為1.0 kg，輔助眼、周邊眼裝藥量為0.6 kg，炮眼封泥長(zhǎng)度800 mm；震動(dòng)炮采用乳化炸藥及毫秒延期電雷管、電容起爆器，當(dāng)巖石硬度較硬，不能達(dá)到預(yù)期爆破效果時(shí)，及時(shí)出具復(fù)查，并對(duì)裝藥量進(jìn)行調(diào)整。

跨越風(fēng)橋前，巖石厚度增加，每增加450 mm，增加一排炮眼；跨越風(fēng)橋后，巖石厚度減小，每減小450 mm巖石厚度，減少一排炮眼；最下部一排炮眼距煤線距離≥200 mm。

4 綜合導(dǎo)向定位技術(shù)效益

4.1 提高巷道掘進(jìn)質(zhì)量

采用激光指向、經(jīng)緯儀測(cè)量、慣性陀螺儀與相機(jī)視覺等測(cè)量技術(shù)相互配合的綜合導(dǎo)向定位技術(shù)，能大大提高巷道掘進(jìn)的質(zhì)量。根據(jù)E1306上分層膠帶順槽的掘進(jìn)情況，其最大偏差控制在8 cm以內(nèi)，保證了掘進(jìn)巷道的質(zhì)量，可將該綜合定位導(dǎo)向技術(shù)推廣到其他巷道掘進(jìn)及貫通施工中。

4.2 提高掘進(jìn)效率

采用傳統(tǒng)導(dǎo)向定位技術(shù)，儀器受井下環(huán)境影響較大，且不具備實(shí)時(shí)導(dǎo)向糾偏功能，需要井下技術(shù)人員不斷的在作業(yè)間隙對(duì)儀器架設(shè)位置及指向方向不斷調(diào)整和糾正，以保證掘進(jìn)方向的準(zhǔn)確，而采用綜合導(dǎo)向定位技術(shù)則可通過慣性陀螺儀與相機(jī)視覺測(cè)量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位糾偏，掘進(jìn)工可根據(jù)屏幕上的偏差信息來(lái)及時(shí)糾正掘進(jìn)姿態(tài)。保證掘進(jìn)質(zhì)量的同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)不間斷掘進(jìn)，有效提高了掘進(jìn)效率。E1306上分層膠帶順槽掘進(jìn)施工中月進(jìn)尺達(dá)到150 m。

4.3 保證人員安全

由于采用綜合導(dǎo)向定位技術(shù)，不需要人員經(jīng)常的出入掘進(jìn)作業(yè)區(qū)對(duì)指向儀器進(jìn)行調(diào)整，指導(dǎo)掘進(jìn)方向的準(zhǔn)確性，降低了人員與危險(xiǎn)源的接觸時(shí)間，從而保證了掘進(jìn)施工人員的安全，減少了傷害事故的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

1）以E1306上分層膠帶順槽立交跨越東翼輔運(yùn)大巷為工程背景，指出了井下導(dǎo)向定位測(cè)量技術(shù)對(duì)掘進(jìn)施工的重要影響，回顧了傳統(tǒng)導(dǎo)向技術(shù)的不足之處，提出采用綜合導(dǎo)向技術(shù)指導(dǎo)E1306上分層膠帶順槽掘進(jìn)施工。

2）介紹了E1306上分層膠帶順槽的跨越施工工藝，并對(duì)其應(yīng)用綜合導(dǎo)向技術(shù)的實(shí)際效果進(jìn)行了評(píng)述。綜合導(dǎo)向使掘進(jìn)施工從效率、安全、質(zhì)量等方面得到大幅提高。