煤礦開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)分析

◎白燕樂

煤炭是非常重要的能源，在生產(chǎn)生活中均發(fā)揮著重要性的作用，做好煤礦開采十分的關(guān)鍵和必要。但煤礦開采作業(yè)會(huì)涉及到較多的專業(yè)知識(shí)，所使用的開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)較多，且實(shí)際使用時(shí)專業(yè)性較強(qiáng)，若是未能正確且科學(xué)使用，極易誘發(fā)安全事故[1]。從當(dāng)前煤礦開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用來看，具有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，且在復(fù)雜地質(zhì)條件下同樣可以取得較好的應(yīng)用效果。以煤礦的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)為例來說，常用的有綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工藝、連續(xù)采煤機(jī)回采工作面支護(hù)工藝、掘錨一體機(jī)掘進(jìn)工藝，其中的一些技術(shù)工藝有著非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在信息化和智能化技術(shù)的幫助下可以實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)。本文對(duì)煤礦開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)作一分析探討，現(xiàn)作如下的論述。

一、煤礦開采技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

1.硬頂煤控制技術(shù)。

當(dāng)前所使用的硬頂煤控制技術(shù)主要包括兩種，一是高壓注水壓裂技術(shù)，二是頂煤深孔爆破處理技術(shù)。從本質(zhì)上來說，硬頂煤控制技術(shù)屬于一種配套設(shè)備技術(shù)，適合應(yīng)用于頂煤的冒放性差、塊度大的情況下。在使用硬頂煤控制技術(shù)時(shí)，一方面要確保頂煤可以快速破裂，合理控制頂板，另一方面要有效發(fā)揮輸送機(jī)的優(yōu)勢(shì)，確保煤礦開采作業(yè)的安全與穩(wěn)定。隨著近年來硬頂煤控制技術(shù)的不斷完善優(yōu)化，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加的顯著，放煤時(shí)間可以大大縮短，整個(gè)煤礦開采效率也可以因此而提升。

2.硬頂板技術(shù)。

硬頂板技術(shù)主要依靠?jī)A斜頂板和巖層定向水力壓裂技術(shù)，能夠達(dá)到隨采隨冒的效果，在提升煤礦開采效率中所發(fā)揮出的優(yōu)勢(shì)是毋庸置疑的。另外，可以在垮落時(shí)按照步距來進(jìn)行，既可以確保頂煤破碎的速度，同時(shí)又可以保證煤礦開采作業(yè)的安全。

3.“三下”采煤技術(shù)。

“三下”采煤技術(shù)在煤礦開采中有著十分廣泛的應(yīng)用，且在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用過程中積累了較多的成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。在當(dāng)前的“三下”采煤技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展中，常用的包括條帶開采技術(shù)、協(xié)調(diào)開采技術(shù)、充填開采技術(shù)、局部開采技術(shù)、井柱開采技術(shù)。

（1）條帶開采技術(shù)：條帶開采技術(shù)的應(yīng)用主要涉及到巖石力學(xué)、開采沉陷學(xué)這兩大內(nèi)容，應(yīng)用時(shí)會(huì)有一定的難度。在應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)上，帶開采技術(shù)不會(huì)改變?cè)械牟擅悍椒ǎ瑫r(shí)可以嚴(yán)格按照護(hù)體的要求設(shè)計(jì)開采方案；在應(yīng)用缺點(diǎn)上，條帶開采技術(shù)的采出效率較低，巷道掘進(jìn)量較大。在開采方案的設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真分析煤柱的荷載、承載能力、寬度，并遵循三點(diǎn)原則，一是確保條帶不會(huì)出現(xiàn)破浪變形，二是確保煤柱具有良好的穩(wěn)定性，且是長(zhǎng)期穩(wěn)定性，三是確保地表變形程度可以始終達(dá)到地面保護(hù)要求。一般情況下，條帶開采技術(shù)設(shè)計(jì)包括五步，即初步確定條帶開采寬度→初步確定條帶留設(shè)煤柱寬度→分析確定條帶尺寸→確定條帶開采的實(shí)際尺寸→最終確定條帶開采方案。

（2）協(xié)調(diào)開采技術(shù)：在“三下”采煤技術(shù)中，協(xié)調(diào)開采技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分顯著，能夠有效控制地表變形，這需要是因?yàn)閰f(xié)調(diào)開采技術(shù)可以巧妙實(shí)現(xiàn)開采方向的布置。結(jié)合當(dāng)前所使用的協(xié)調(diào)開采技術(shù)來看，有推廣應(yīng)用價(jià)值的方法有三種，一是全柱開采，二是煤層群活厚煤層分層協(xié)調(diào)開采，三是雙向與背向開采。以全柱開采方法為例來說，往往需要多個(gè)工作面聯(lián)合開采，以此減少開采作業(yè)對(duì)保護(hù)對(duì)象的影響。在優(yōu)點(diǎn)上，全柱開采方法可以全面回收資源，不會(huì)引發(fā)遺留問題；在缺點(diǎn)上，往往會(huì)有較大的管理難度，尤其是設(shè)備占用較大。除此之外，在開采過程中需要保證勻速推進(jìn)。

（3）充填開采技術(shù)：充填開采技術(shù)可以使用頂板管理這一方法，能夠減少地表沉降和地表變形，需要使用相關(guān)的充填工藝和材料，多使用離層注漿充填技術(shù)。在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中發(fā)現(xiàn)，充填開采技術(shù)可以適用各種條件下的“三下”采煤?jiǎn)栴}，且可以最大限度的回收“三下”壓煤資源，最大限度減少了煤炭資源的損失。更為關(guān)鍵的一點(diǎn)，充填開采技術(shù)應(yīng)用過程中不會(huì)造成太大的地表移動(dòng)和變形，所以不會(huì)誘發(fā)安全隱患。但這一技術(shù)也存在著一定的缺陷，比如會(huì)改變采煤工藝，很容易影響到生產(chǎn)進(jìn)度，增加生產(chǎn)成本。

（4）局部開采技術(shù)：局部開采技術(shù)主要是利用地表變形和開采面積之間的關(guān)系，通過有效控制開采區(qū)域的面積可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)地面建筑的目標(biāo)，常用的方法包括條帶開采、限厚開采、房柱式開采。以房柱式開采技術(shù)為例來說，可以將煤層切割為正方形或長(zhǎng)方形的煤柱，長(zhǎng)度通常在十幾米到二三十米，在煤柱的支撐下可以實(shí)現(xiàn)安全開采。但當(dāng)煤柱的數(shù)量過多時(shí)，會(huì)無法確保上下煤層煤柱的對(duì)齊布置，而且煤柱的尺寸通常較小，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定。

（5）井柱開采技術(shù)：井柱開采技術(shù)在應(yīng)用時(shí)有著較強(qiáng)的特殊性，可以實(shí)現(xiàn)豎井保護(hù)煤柱回收的目的。總的來說，井柱開采技術(shù)會(huì)涉及到井下開采技術(shù)和井筒保護(hù)技術(shù)，應(yīng)用時(shí)會(huì)較為復(fù)雜和專業(yè)，所以并未得到十分廣泛的應(yīng)用。

4.深層井開采技術(shù)。

深層井開采技術(shù)有著較為廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際使用時(shí)可以較有效地控制煤層開采額的礦壓，尤其是可以預(yù)防沖擊低壓，在治理瓦斯與熱害中也有著顯著優(yōu)勢(shì)。需要特別注意一點(diǎn)，在使用深層井開采技術(shù)時(shí)，要對(duì)深井的通風(fēng)性、井向、應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)、深井圍巖狀態(tài)、深井場(chǎng)地環(huán)境開展全面的分析，結(jié)合實(shí)際情況選用裝備、掘進(jìn)技術(shù)、支護(hù)技術(shù)，比如會(huì)使用到深井開采熱害處理技術(shù)、深井高采高銷技術(shù)。

二、煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

1.煤巷、半煤巖掘進(jìn)工藝。

當(dāng)前所使用的煤巷、半煤巖掘進(jìn)工藝較多，主要包括綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工藝、掘錨一體機(jī)掘進(jìn)工藝、連續(xù)采煤機(jī)回采工作面支護(hù)工藝。

（1）綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝：綜掘機(jī)掘進(jìn)工藝包括較多的方法，主要有綜掘機(jī)機(jī)載雙錨支護(hù)、綜掘機(jī)配單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)支護(hù)、綜掘機(jī)配兩臂式錨桿鉆車支護(hù)、綜掘機(jī)運(yùn)錨機(jī)一體化工藝、綜掘機(jī)配單軌吊液壓鉆機(jī)支護(hù)。以綜掘機(jī)配單體氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)支護(hù)為例來說，是一種最為成熟的巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)和支護(hù)。再以綜掘機(jī)配兩臂式錨桿鉆車支護(hù)為例來說，可以適用于圍巖較破碎的巷道支護(hù)，并實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)和支護(hù)的交替作業(yè)。

（2）連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工藝：主要有連采機(jī)多巷快速掘進(jìn)與支護(hù)、連采機(jī)單巷快速掘進(jìn)與支護(hù)。連采機(jī)是煤巷快速掘進(jìn)中一種新型裝備，顯著優(yōu)勢(shì)是成型好、掘進(jìn)速度快、可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)，工藝類型也較多，比如聯(lián)合使用連續(xù)采煤機(jī)、梭車、帶式輸送機(jī)、錨桿鉆車、給料破碎機(jī)。

（3）連續(xù)采煤機(jī)回采工作面支護(hù)工藝：在當(dāng)前的煤巷、半煤巖掘進(jìn)工藝應(yīng)用中，連續(xù)采煤機(jī)回采工作面支護(hù)工藝未得到較廣泛的應(yīng)用，多是作為一種輔助性的工藝加以使用，不過也在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用中積累了一些經(jīng)驗(yàn)，比如可以使用2臺(tái)行走液壓支架管理頂板，以此來優(yōu)化采場(chǎng)布置和頂板控制。

（4）掘錨一體機(jī)掘進(jìn)工藝：在掘錨一體機(jī)掘進(jìn)工藝中，掘錨一體機(jī)發(fā)揮著重要性的作用，可以有效完成切割、裝運(yùn)、錨桿支護(hù)。與連續(xù)采煤機(jī)的應(yīng)用相比，掘錨一體機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更多，實(shí)用性和適用性更佳。在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，掘錨一體機(jī)的掘進(jìn)工效可以是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的3倍以上，這大大提升了煤礦開采掘進(jìn)的效率。在實(shí)際使用掘錨一體機(jī)掘進(jìn)工藝時(shí)，可以采用兩種作業(yè)方案，一是聯(lián)合使用掘錨一體機(jī)和掘錨后配套，二是聯(lián)合使用掘錨一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶、八臂錨桿鉆車。以掘錨一體機(jī)和掘錨后配套的聯(lián)合使用為例來說，技術(shù)優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)與運(yùn)輸?shù)娜灰惑w，二是在每掘進(jìn)25m時(shí)便可以前移一次皮帶，有著較高的掘進(jìn)效率，三是可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)的平行作業(yè)，且安全高效。

2.巖巷掘進(jìn)工藝。

在巖巷掘進(jìn)工藝中，常用的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)有巖巷鉆裝機(jī)組掘進(jìn)、巖巷重型掘進(jìn)機(jī)、巖巷盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

（1）巖巷鉆裝機(jī)組掘進(jìn)：這一掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一便是可以將鑿巖與裝運(yùn)這兩項(xiàng)工作結(jié)合起來，常用的設(shè)備有CMAY1型巖巷鉆裝機(jī)組、CMZY2型巖巷鉆裝機(jī)組。能夠提升設(shè)備交叉換位時(shí)的效率，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)的快速推進(jìn)。另外，巖巷鉆裝機(jī)組掘進(jìn)這一技術(shù)應(yīng)用時(shí)不需要投入太多的人力，勞動(dòng)強(qiáng)度低，且安全性能高。更為關(guān)鍵的是，可以實(shí)現(xiàn)鉆裝一體化，通常月均進(jìn)尺可以達(dá)到100m，月最高進(jìn)尺可以達(dá)到220m。

（2）巖巷重型掘進(jìn)機(jī)：當(dāng)前常使用的硬巖掘進(jìn)機(jī)包括BBH300、EBZ300、EBH450，均可以實(shí)現(xiàn)巖巷的快速掘進(jìn)。

（3）巖巷盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)：盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用十分常見且廣泛，尤其是在隧道掘進(jìn)中發(fā)揮著重要的作用，掘進(jìn)效率可以達(dá)到月最高進(jìn)尺1034m。在近年來的煤礦開采與掘進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用較為常見，在煤礦斜井設(shè)計(jì)與施工中有著較好的應(yīng)用效果，甚至已經(jīng)可以達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3.非煤礦山巷道掘進(jìn)工藝。

在近年的非煤礦山開采中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)均有著較為廣泛的應(yīng)用，可以滿足非煤礦山巷道掘進(jìn)的要求。更為重要的是，在當(dāng)前的非煤礦山巷道掘進(jìn)工藝中，新型耐腐蝕玻璃鋼錨網(wǎng)成套技術(shù)、錨網(wǎng)帶索支護(hù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，直接革新了傳統(tǒng)的非煤礦山巷道掘進(jìn)工藝。具體來說，可以使用的設(shè)備主要包括EBZ120懸臂式掘進(jìn)機(jī)、EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)、EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)。以EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例來說，可以直接實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)，可以構(gòu)建出拱形斷面，并使用錨噴支護(hù)，通常月進(jìn)尺可以達(dá)到300m。

4.智能化巷道支護(hù)工藝。

在智能化巷道支護(hù)工藝中，當(dāng)前主要使用順槽巷道無反復(fù)支撐支護(hù)技術(shù)、巷道機(jī)械化支護(hù)、多功能巷道支護(hù)修復(fù)機(jī)。

以順槽巷道無反復(fù)支撐支護(hù)技術(shù)為例來說，優(yōu)勢(shì)之一便是可以很好地替代傳統(tǒng)的十字鉸接頂梁、單體支柱，在綜采工作面的超前支護(hù)中有著良好的應(yīng)用效果，且有著較高的機(jī)械化水平，勞動(dòng)強(qiáng)度低。在實(shí)際開展掘進(jìn)支護(hù)時(shí)，需要使用到多架單跨門式支架、搬運(yùn)車，利用鏈條連接相鄰支撐裝置，確保可以與順槽巷道超前支護(hù)成為一個(gè)整體，為實(shí)現(xiàn)良好的長(zhǎng)距離機(jī)械化超前支護(hù)，可以考慮增設(shè)單跨支撐裝置。相比于傳統(tǒng)的十字鉸接頂梁、單體支柱，順槽巷道無反復(fù)支撐支護(hù)技術(shù)的成本節(jié)約可以達(dá)到70%，效率可以提升30%以上。

再以巷道機(jī)械化支護(hù)為例，可以使用的現(xiàn)代化設(shè)備較多，主要有CMM2-25煤礦用液壓錨桿鉆車、CMM4-25煤礦用液壓錨桿鉆車、CMM8-25煤礦用液壓錨桿鉆車、CMM10-30煤礦用液壓錨桿鉆車，均有著較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。以CMM10-30為例來說，這一設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)和運(yùn)輸，且可以做到全斷面支護(hù)，有著非常高的支護(hù)效率，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)支護(hù)的自動(dòng)化和智能化。

三、煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展——以掘進(jìn)智能化技術(shù)為例

在近年來的煤礦掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中，一直存在著采掘失衡這一問題，而且掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)中很容易受到多種不利因素的影響，嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員的安全。針對(duì)這一問題，掘進(jìn)裝備智能化得到了較好的發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)前已經(jīng)形成了四種關(guān)鍵性技術(shù)，即井下巷道封閉空間掘進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)、遠(yuǎn)程操作控制技術(shù)、裝備作業(yè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)、裝備間協(xié)同移動(dòng)控制。

1.井下巷道封閉空間掘進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)。

這一技術(shù)依托于慣性技術(shù)與光電技術(shù)，所建構(gòu)的采煤機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)掌握煤礦掘進(jìn)支護(hù)信息，能夠應(yīng)用在連采機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、快速掘進(jìn)系統(tǒng)、邊幫開采設(shè)備這些場(chǎng)景中。

2.遠(yuǎn)程操作控制技術(shù)。

借助這一技術(shù)可以讓作業(yè)人員徹底遠(yuǎn)離工作面迎頭操作，不會(huì)對(duì)作業(yè)人員的生命安全造成影響。當(dāng)前基于遠(yuǎn)程操作控制技術(shù)所研發(fā)出的掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)較多，主要有錨索自動(dòng)打孔裝置、智能錨桿支護(hù)機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)切割系統(tǒng)。

3.裝備作業(yè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)。

基于這一技術(shù)所應(yīng)用的掘進(jìn)支護(hù)產(chǎn)品主要有邊幫設(shè)備遠(yuǎn)控平臺(tái)、掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)控平臺(tái)、連采機(jī)遠(yuǎn)控平臺(tái)、快掘設(shè)備集控艙。值得一提的是，在應(yīng)用裝備作業(yè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制技術(shù)時(shí)，當(dāng)前已經(jīng)對(duì)截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效的記憶截取、定位截取、自動(dòng)截割面成形，技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。

4.裝備間協(xié)同移動(dòng)控制。

基于智能化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以建構(gòu)起連采機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、攝像頭系統(tǒng)、集中控制平臺(tái)、井下通訊網(wǎng)絡(luò)、視距遙控器。所秉承的集中控制和協(xié)同分布策略能夠大大確保設(shè)備在空間內(nèi)的協(xié)同，這對(duì)于提升掘進(jìn)支護(hù)效率與安全有十分大的裨益。

四、結(jié)語

當(dāng)前廣泛使用的煤礦開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)有著顯著優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿足煤礦開采事業(yè)的發(fā)展需求，值得推廣應(yīng)用。但隨著煤礦綠色開采理念的貫徹落實(shí)，當(dāng)前所使用的一些技術(shù)尚且存在著缺陷和不足，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色化、智能化開采，所以后續(xù)要進(jìn)一步加大研究力度，尤其是要依托于智能化技術(shù)大力創(chuàng)新煤礦開采技術(shù)與掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)，更好地解決煤礦掘進(jìn)支護(hù)中的問題，促進(jìn)煤礦事業(yè)的健康發(fā)展。