煤礦井下高效綜掘及圍巖變形趨勢(shì)的研究

樊建龍

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)性能源資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位，對(duì)煤炭的需求量不斷增加，因此對(duì)井下煤炭的綜掘提出了更高的要求。目前，我國(guó)煤炭井下綜掘主要是以半自動(dòng)化為主，人員需求量大、綜掘效率和國(guó)際先進(jìn)水平存在著較大的差距。在井下支護(hù)選擇、智能化聯(lián)動(dòng)開采方面未進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，無(wú)法對(duì)井下高效綜掘的推廣提供理論支撐。目前靠人工經(jīng)驗(yàn)的方式存在著較大的不足，因此需要對(duì)井下巷道變形及智能高效綜掘進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，為進(jìn)一步提升井下綜掘的智能化程度奠定基礎(chǔ)。

1 井下高效掘進(jìn)控制系統(tǒng)

隨著綜掘裝備水平自動(dòng)化程度地不斷提升，要想進(jìn)一步提高井下綜掘效率，就需要建立起各設(shè)備智能聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從圍巖狀態(tài)探測(cè)、掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)、井下智能支護(hù)、物料運(yùn)輸及井下綜掘工作面各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的全面智能化和“一個(gè)流”的綜掘運(yùn)行控制[1]，因此根據(jù)井下綜掘工藝流程，本文所提出的井下高效綜掘控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 井下綜掘智能控制系統(tǒng)示意圖

圍巖探測(cè)智能化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是對(duì)井下圍巖的硬度、分布情況等進(jìn)行探測(cè)，為后續(xù)掘進(jìn)機(jī)的智能化自動(dòng)截割提供數(shù)據(jù)支撐，由于井下綜掘效率的提升，因此要圍巖探測(cè)智能化系統(tǒng)需要具有較快的探測(cè)速度和分析能力，目前常用的主要是提前根據(jù)地質(zhì)探測(cè)結(jié)果，建立圍巖分布三維模型，然后再利用超聲波輔助探測(cè)的方式確保圍巖狀態(tài)探測(cè)的可靠性，探測(cè)速度快、精度高。

掘進(jìn)機(jī)智能化掘進(jìn)系統(tǒng)，掘進(jìn)機(jī)的智能掘進(jìn)是煤礦井下綜掘智能化的核心，掘進(jìn)機(jī)需要在接收到系統(tǒng)提供的圍巖狀態(tài)信息后，自動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的自動(dòng)截割作業(yè)[2]。為了保證掘進(jìn)機(jī)在井下智能掘進(jìn)的可靠性，開發(fā)了激光陀螺儀井下慣性導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)在井下±0.1 m 的定位精度，開發(fā)了機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)和傳感器智能監(jiān)測(cè)為核心的截割姿態(tài)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)±0.02 mm 的姿態(tài)控制精度，滿足了掘進(jìn)機(jī)井下智能化掘進(jìn)時(shí)的精度需求。

錨桿支護(hù)智能化控制，井下巷道支護(hù)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到井下綜掘作業(yè)時(shí)的安全性，而巷道支護(hù)的效率則直接決定了井下綜掘作業(yè)的效率，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)采用了人工打孔、支護(hù)模式效率低、精度差，難以滿足井下智能化高效綜掘的需求。因此本文提出了一種新的錨桿支護(hù)智能化控制系統(tǒng)，以掘錨一體化鉆機(jī)為核心，鉆機(jī)接收智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的控制信號(hào)后進(jìn)行智能化鉆孔和取放支護(hù)錨桿，實(shí)現(xiàn)了井下掘錨的同步作業(yè)。

智能化運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度，自動(dòng)調(diào)整物料輸送設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)物料的“無(wú)堆積”化運(yùn)行，消除因物料轉(zhuǎn)運(yùn)不及時(shí)而導(dǎo)致的綜掘進(jìn)度滯后現(xiàn)象。

視頻監(jiān)控智能化，主要是在綜掘面建立起高清的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，便于地面控制中心人員對(duì)井下綜掘面各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行直觀地監(jiān)測(cè)，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于井下的綜掘環(huán)境較為復(fù)雜、能見度低，因此在通過對(duì)多種視頻監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行對(duì)比后，確定了以高清成像為基礎(chǔ)，以熱成像為補(bǔ)充的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，確保了不同環(huán)境下視頻監(jiān)控的效果，井下熱成像監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)視頻監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖2 所示[3]。

圖2 不同視頻監(jiān)控效果對(duì)比

2 巷道圍巖穩(wěn)定性研究

井下巷道圍巖的穩(wěn)定性直接關(guān)系到智能綜掘效率和安全性，我國(guó)多數(shù)煤礦井下的綜掘工作面都成矩形且跨度較大，在綜采擾動(dòng)和礦壓波動(dòng)的情況下極易出現(xiàn)巷道變形、垮塌，影響井下智能綜掘的安全性，目前多數(shù)支護(hù)方案主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行[4]，精確性和可靠性均較差，因此本文利用三維建模及仿真分析軟件[5]，對(duì)不同巷道寬度情況下的圍巖變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 井下圍巖變形示意圖

由實(shí)際分析結(jié)果可知，當(dāng)巷道的寬度大于4.5 m后頂板下沉量、底鼓量、頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量都迅速增加，且根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，在頂板和底板位置均出現(xiàn)了明顯的離層現(xiàn)象，當(dāng)井下巷道寬度小于4.5 m 時(shí)，巷道圍巖的變形量在較小的范圍內(nèi)，且未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，對(duì)支護(hù)的要求較低。

因此通過以上分析可知，當(dāng)巷道的寬度小于4.5 m的情況下，由于巷道穩(wěn)定性高，因此更便于實(shí)現(xiàn)井下的智能化聯(lián)動(dòng)綜采作業(yè)；當(dāng)巷道的寬度大于4.5 m時(shí)，由于巷道的穩(wěn)定性變差，因此需要合理規(guī)劃井下支護(hù)方案，保證巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)智能化聯(lián)動(dòng)綜采奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1）井下智能化高效綜掘控制系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)從圍巖狀態(tài)探測(cè)、掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)、井下智能支護(hù)、物料運(yùn)輸及井下綜掘工作面各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的全面智能化和“一個(gè)流”的綜掘運(yùn)行控制；

2）當(dāng)巷道的寬度大于4.5 m 時(shí)，巷道的穩(wěn)定性變差，需要合理規(guī)劃井下支護(hù)方案，保證巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，確保智能化綜掘控制的一致性。