赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:陈鑫源 :基金项目:国家自然科学基金重点项目(,);中原科技创新领军人才资助项目()作者简介:张要展(),男,河南临颍人,高级工程师,现从事煤炭开采、煤矿智能化等工作。引用格式:张要展,杨伟强,韩明振 赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究 能源与环保,():,():,赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究张要展,杨伟强,韩明振(郑煤集团新郑煤电有限责任公司,河南 郑州 ;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 )摘要:智能化掘进对煤矿企业安全、高效、稳定发展具有重要意义。根据赵家寨煤矿三软厚煤层实际生产条件,对三软煤层巷道掘进工艺
2、进行简要介绍,并分析得到原有工艺下存在人工定位安全性低和以点代面(采用巷道某位置的围岩条件及应力环境)进行支护方案设计的工程现状。基于智能掘进技术的理论思想,设计了三软煤层巷道智能化掘进系统,包括控制系统、截割系统和支护系统。根据巷道设计参数及实际实时监测前方巷道围岩性质,并将监测数据上传智能巷道围岩智能控制系统(采用理论计算、数值分析等传统手段,实时确定掘进位置处围岩变形速度及最终变形量),确定合理巷道支护方式,实现三软煤层巷道掘进过程的安全、高效、合理、经济。关键词:三软煤层;软岩巷道;智能化掘进;智能化支护中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,(),(),:;我国煤炭多以
3、井工开采为主,井下各类巷道硐室数量庞大,因此煤炭开采过程中巷道掘进量大 。巷道掘进是指在煤(岩)体中采用一定的破岩手段将部分岩体破碎下来,形成一定的空间及硐室,接着对这个空间进行支护的工作 。炮掘法作为巷道掘进施工一种方法,因其适用性强、应用范围广、投资少的优点,所以炮掘法在煤矿得到广泛应用 。但其缺点也非常明显,例如工序复杂、掘进速度慢、效率低、工人劳动强度大、对围岩稳定性影响较大等。随着综采技术的发展,工作 年第 期张要展,等:赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究第 卷面推进速度快 ,回采巷道年消耗数量大幅增加,巷道快速掘进成为煤矿高效生产的重要保证。并且,随着巷道支护技术的进步及巷道
4、布置方式的改革,煤层巷道在井巷工程中的占比越来越高,促进了高效掘进技术的出现 。巷道掘进技术经历了机械化、自动化、信息化和数字化的发展历程,进一步实现智能化实现无人化、安全、高效掘进的必然结果。智能快速掘进技术采用具有感知能力、记忆能力、学习能力和决策能力的掘锚机、锚杆机、破碎转载机、带式输送机等煤巷掘进装备,以自动化控制系统为枢纽,以远程可监视为手段,实现掘进工作面巷道掘进系统“全面快速掘进、掘支运平行作业”的安全协调高效掘进技术 。并且相关学者,在掘进工作面视频监控、设备及环境监测、设备远程操作等方面进行了研究和实践 。本文在相关学者已有的研究基础之上,针对于三软煤层的特点,提出了符合三软
5、煤层特点的智能化掘进系统设计。工程概况新郑煤电有限责任公司赵家寨煤矿位于河南省新密煤田东部,矿井地质条件属于典型的三软煤层 。矿区与新郑市仅有 ,距离郑州市只有 ,矿区与新密铁路、地方铁路相邻,有 国道、新密公路通过(图 ),交通便利。图 井田地理位置 赵家寨煤矿主采二煤层,伪顶为炭质泥岩,直接顶为砂质泥岩,底板为砂质泥岩,顶底板岩性特征见表 ,煤层巷道围岩强度低、稳定性差。三软煤层常见问题根据围岩岩性、围岩强度以及他们之间的关系,选择合适的巷道布置和保护及支护方式,降低围岩应力,增大围岩强度,有效的控制巷道围岩变形 。根据巷道围岩控制原理,可以看出巷道支护的稳定性,一般取决地质因素(围岩应力
6、场、围岩岩性、地质构造等)和主观因素(巷道布置、施工方法、支护表 煤层顶底板岩性特征 类型岩石名称岩性特征平均厚度 直接顶砂质泥岩岩层呈现深灰色,且裂隙较多易垮落 伪顶炭质泥岩灰黑色,松软,易脱落 煤层二煤层粉末状、鳞片状,煤质松软,强度较低 直接底砂质泥岩呈现现灰色、深灰色 方法、支护顺序等)。年第 期能源与环保第 卷 地质因素赵家寨煤矿主采煤层节理发育极易在开挖扰动作用下发生较大的变形和破坏。围岩本身具有一定承载能力,而三软地质条件下煤层及其顶底板本身强度低、不稳定、易垮落,破坏将向深部岩层传递,一旦破碎围岩达到顶板承载极限时就会造成顶板弯曲变形,甚至破坏、垮落。基于围岩控制原理可以知道,
7、围岩强度对巷道围岩控制是必要考虑因素。三软地质条件下,煤层自身裂隙发育,煤层内部与空气接触面积较大,在煤层揭露后煤层自身受到周围环境(空气、水等)的影响,出现强度降低的现象,从而导致原有巷道支护达不到原有支护效果,出现片帮、掉顶现象。软弱顶底板的变形及巷道周围垮落的岩石,造成巷道支护物变形加大,从而提高大巷道支护系统内部应力水平。当支护系统变形达到其自身极限的承载能力时,巷道支护系统失效,巷道发生巨大变形、甚至破坏垮落,导致掘进难度增大、速度降低。主观因素巷道掘进过程中,巷道整体支护效果会受到生产施工方案和质量的影响。当巷道支护没有合理的施工方案和达不到应有的施工质量时,巷道支护系统达不到理想
8、的支护效果,对支护安全造成影响。工程经验表明,合理选择施工方案,可以减少掘进中工程扰动对巷道围岩的损伤程度,是保证巷道稳定性的有效手段。尤其在软弱围岩条件下,相同条件下围岩扰动对于软岩巷道稳定性的影响更大。在施工准备阶段,施工图纸的可行性和准确性将会直接影响到后期的施工建设质量。软岩巷道由于围岩强度低受扰动变形程度大,在掘进过程中,巷道整体成形效果相对较差,实际巷道尺寸大于设计尺寸,使得巷道支护难度增大。工人施工过程中,受环境和人为因素影响会出现支护物未按方案施工,使得支护系统本身支撑力达不到支护效果,最终导致巷道变形无法使用。智能化掘进系统设计及应用智能化是煤矿发展的必然途径。目前而言,巷道
9、掘进智能化要远落后于采煤工作面智能化程度。基于赵家寨煤矿的实际工程背景,对智能化掘进系统设计提出以下观点。智能掘进控制系统掘进工作面的各设备要能够接入万兆工业环网,能够在地面、井下设置集控中心,能够对巷道掘进设备一键启停控制,井上下可视化通讯功能(图)。掘进机具备安全生产预警功能,并对掘进机联动闭锁控制,巷道施工过程中可对设备及工作面环境(风尘、瓦斯、水等)数据采集、分析、预警或决策功能。并通过接入万兆工业环网支持移动终端展示、云端接入功能、设备故障诊断功能与信息推送。图 智能掘进控制系统 智能化掘进截割系统掘进机采用激光、雷达扫描或惯性导航等技术实现精确定位或三维定位(图 ),采用倾角、摆角
10、等姿态传感器实现姿态感知;随机视频图像采集功能,实现截割、装载、卸载、支护等关键生产环节视频显示;最终实现自主导航、坡度追踪和自动截割功能或仿行截割功能。同时,在掘进机工作过程中,通过传感器采集截割、装载、推进等运行工况数据,当数据超过门限值时发出报警;并对现场作业环境中的粉尘、瓦斯、涌水等环境数据进行实时监测,在发生数据超限时进行声光报警。图 掘进机定位示意 掘进机的掘进过程,可通过视频监控系统、无线通信系统、远程操作系统,实现就地操作、无线遥控操作、井下远程(采用光纤传输)可视化操作(在硐室内操作)、地面远程可视化操作 种操作模式;同时遥控、远程控制,响应时间不小于 。根据输入参数,自动生
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