掘進工作面巷道成形控制研究

仝慧君

（山西煤炭進出口集團韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 西回風大巷概述

韓家洼煤礦現正掘進西回風大巷，西回風大巷布置在2號煤層中，巷道斷面為矩形斷面，毛斷面為5.5 m×3.5 m（寬×高），凈斷面為5.3 m×3.4 m（寬×高），掘進斷面面積為19.25 m2，采用錨桿（索）網聯合支護，呈東西向布置，以262°8′6″的方位角沿2號煤頂板向西掘進370 m。巷道掘進采用綜合機械化掘進，設備采用黑龍江佳木斯煤礦機械廠生產的EBZ-135型掘進機，其主要技術參數如表1所示。

表1 EBZ-135型掘進機主要技術參數表

近期，在巷道驗收過程中出現了巷道成形不穩定的情況，總是出現巷道超挖、欠挖現象。經調查分析，是由于更換掘進機司機導致的，新培養的掘進機司機對業務不熟練，在刷幫時不能精準把握，從而出現超挖、欠挖現象。

2 巷道施工現狀分析

巷道中線以礦地質測量部給定中線為準，中線采用激光指向儀進行確定。施工前，為確保中線位置準確無誤，需要對中線核準后方可正常掘進。在掘進過程中，需要正副司機配合，反復測量中線與巷幫的距離。整個測量過程還需要反復啟停掘進機，且需要操作人員進行登高作業，并反復抬進抬出高凳，費時費力，不僅降低了截割效率，還存在很大的安全隱患。此外，由于個別操作人員責任心不強，僅憑經驗操作，常出現巷道成形差的施工質量問題。

3 可采取的解決方案

目前，煤礦井下巷道成形控制多通過人工測量巷幫與中線的距離確定，這種方式受人為因素影響很大，而且效率低、存在安全隱患。近年來，有專家對掘進設備截割成形控制系統的自動化和智能化進行了研究，比如，一些學者從懸臂式掘進機的運動學建模、軌跡規劃以及自動截割控制等理論與技術方面入手研究，提出了提高掘進機智能化水平的諸多方案，還有學者在掘進機激光定位技術方面進行研究，以提高截割頭位姿測量精度及穩定性[1]，但這些先進技術還在研究階段，沒有實現大規模的應用，而且投入費用大，見效慢。因此有專家針對“三軟”煤層成形差問題，通過調整掘進機循環截割方式，將原“S”形循環截割變為“M”形循環截割[2]，這種方案可行但具有局限性，只適用于軟煤層。因此，為了解決掘進巷道成形差的問題，專門研制了一種全斷面成形裝置，其具有結構簡單、造價低廉、運行可靠等特點。幾種方案的對比情況如下頁表2所示。

表2 巷道成形方案對比分析表

4 全斷面激光指向成形裝置

全斷面激光指向成形裝置通過多組激光指向儀打在掘進工作面迎頭，形成點陣輪廓，掘進機司機可以根據輪廓刷出巷幫，同時可根據打出的點定位錨桿索支護位置，成形裝置隨中線一起前移。

4.1 全斷面激光指向成形裝置結構

全斷面激光指向成形裝置由可調節U型框架、紅外激光指向儀、錨桿（索）固定座、控制箱等組成。可調節U型框架又由橫桿、豎桿及L型連接件組成。L型連接件通過錨桿（索）固定座與巷道頂板上的錨桿（索）進行固定，豎桿、橫桿與L型連接件插接在一起，預留有一定的插接長度，調整好插接長度后，用定位螺栓進行固定。橫桿與豎桿上設有安裝位，用于安裝紅外激光指向儀，結構如圖1所示。控制箱包括電源和控制元器件，采用直流3.7 V電源，S為電源開關，開關S1控制頂錨桿索激光指向儀，開關S2控制幫錨桿激光指向儀，其電氣原理圖如圖2所示。

圖1 全斷面激光指向成形裝置示意圖

圖2 全斷面激光指向成形裝置電氣原理圖

4.2 全斷面激光指向成形裝置工作原理

將全斷面激光指向成形裝置安裝在距離掘進工作面迎頭20 m處。按照掘進工作面斷面調整好U形可調節框架固定尺寸，鎖死定位螺栓，根據巷道頂幫錨桿索間排距安裝紅外激光指向儀。掘進作業時，打開紅外激光指向儀，根據紅外激光指向儀激光束打出的點陣輪廓進行掘進作業；支護頂板時，打開頂部的紅外激光指向儀開關S1，利用激光束標定錨桿錨索的位置；支護兩幫時，打開兩幫的紅外激光指向儀S2，利用激光束標定幫錨桿的位置。支護完一排后，在激光束的方向上用米尺量出下一排的距離，再繼續支護下一排。激光束的有效指向距離為100 m，掘進到位后，移動全斷面激光指向成形裝置。

5 效果分析

全斷面激光指向成形裝置通過多組激光指向儀打在掘進工作面迎頭，形成點陣輪廓來保證巷道成形水平，其具有結構簡單、運行可靠、造價低廉、操作簡單等特點，在工作面的掘進過程中取得了很好的應用效果，提高了工作效率，消除了存在的隱患，極具推廣價值。