0 引 言
近年来，我国煤矿综合机械化开采效率显著提高但煤矿巷道掘进技术发展缓慢，加之煤矿井下工人老龄化、用工难，导致巷道掘进效率普遍偏低，引起了严重的采掘失调。开展煤巷快速成巷关键技术研究，实施机械化减人、自动化换人，提升成巷速度是当前我国煤矿安全高效生产的迫切需求[1]。国内外研发机构在煤巷掘进、临时支护、永久支护及其他辅助工序的技术与装备方面已展开深入研究，研发了多种形式的快速成巷技术，并在部分矿区的实践中实现了煤巷成巷速度的提升，一定程度上缓解了采掘接替困难的问题。但由于我国煤巷条件差异大，现有装备难以有效解决占我国大多数的一般及复杂地质条件下煤矿快速成巷的需求，我国煤巷整体的成巷速度尚待提升[2-3]。制约煤巷快速成巷的主要原因是现有装备中缺乏行之有效的支护技术。针对上述难题,一方面需要开展针对临时支护、永久支护技术与装备的研发，从根本上解决煤巷快速成巷的难题；另一方面还应认识到，煤巷快速成巷技术与装备的研发已进入瓶颈期，我国煤巷成巷技术与装备在短期内较难实现根本性突破。因此，应明确我国各类地质条件下影响煤巷快速掘进的因素，结合现有煤巷快速成巷技术与装备，探讨基于现有成巷装备的效果评价方法，实现对现有煤巷快速成巷技术与装备最大程度的利用。针对我国煤巷成巷速度普遍偏低的现状，综述了当前煤巷快速成巷技术与装备的发展现状，总结了影响我国煤巷快速成巷的主要因素，建立了基于煤巷快速成巷主要影响因素的评价方法及装备适应性评价方法，为煤巷快速成巷选型及效果评价提供参考。
1 国内外煤巷成巷技术与装备发展现状
国内外针对煤巷快速成巷在以下5方面进行了探索：掘进技术与装备、临时支护技术与装备、永久支护技术与装备、随掘钻探技术与装备和其他技术装备。
1.1 掘进技术与装备
煤巷掘进一般采用机械破岩，装备主要包括悬臂式掘进机、连采机和滚筒式掘锚一体机(图1)。
图1 煤矿掘进装备
Fig.1 Roadheader in coal mine
其中，悬臂式掘进机经过多年的发展，形成了适应各种地质条件煤巷、岩巷的系列产品，包括EBZ160、EBZ200、EBZ220、EBZ260等产品，应用最广[4-5]。连采机截割效率高，在我国陕蒙、神东矿区等围岩地质条件较好的矿井中应用效果较好。但其需要依靠围岩长距离自稳来保证掘进期间不进行支护，因此，难以在地质异常带多、围岩破碎的巷道中施工[6-7]。掘锚机组是在连采机基础上发展起来的煤巷掘进装备，与连采机相比，掘锚机组截割宽度即为巷道宽度，截割平台能够前后滑移，实现不移动机身即完成巷道开挖，截割效率显著提升；掘锚机装备集成了液压锚杆钻机，能够随掘随支，保障了较小的空顶距(一般3 m左右)，适应性高，是目前最先进的煤巷快速掘进装备(图1c)[8-10]。但其截割破岩能力不足，空顶距仍较大，在断层岩体强度较高、围岩破碎时辅助作业较多，难以普遍适用于我国一般及复杂围岩地质条件下的煤巷。国内外装备厂商还研发了全断面煤巷掘进装备式的掘进(图1d-图1f)，但并未实现普遍推广[11]。调研发现，在不考虑支护的情况下,悬臂式掘进机进尺最大可达1000 m/月，掘锚机组最大进尺可达3000 m/月，基本能够满足我国煤巷快速掘进的需求。但目前支护速度过慢制约着我国煤巷整体的成巷速度。因此，国内外研究机构围绕煤巷掘进支护进行了广泛探索。
1.2 临时支护技术与装备
我国大部分煤巷顶板较为软弱，为消除掘进开挖后人员在空顶下作业的安全隐患，需对新开挖的巷道进行临时支护。传统的煤巷掘进采用金属探梁、单体液压支柱(图3)等进行临时支护，工效较低、人工劳动强度大。经过长期的探索，发展了4种形式的掘进临时支护(图4)，包括：自移式掘进液压支架、基于悬臂式掘进机的临时支护、掘锚机临时支护和煤巷盾构护盾临时支护。
图3 单体液压支柱
Fig.3 Single hydraulic props as temporary support
国外最早在20世纪60年代研发的掘进自移支架(图4a)，通过液压系统控制立柱升降对顶板进行支护，控制支架滑移或迈步前进，配合掘进机使用可实现较长距离的顶板临时支护。
图4 煤巷掘进临时支护
Fig.4 Temporary support in coal roadway driving
国内外装备厂商还探索了在掘进机悬臂上设置各种形式的液压顶棚(图4b)实现临时支护[12-13]。此外，掘锚机在截割部与液压锚杆钻机之间设置的液压顶棚(图4c)，能够在截割完成后对顶板提供400～500 kN的临时支护力，使悬顶距离减少到2 m左右。近年来，我国煤矿还探索了护盾式临时支护(图4d)，在掘进完成后通过盾壳对顶板两帮提供临时支护。尽管目前国内外均对煤巷掘进临时支护进行了探索，但临时支护始终是煤巷掘进的悬而来决的难题，总结存在如下问题：①现有临时支护主要关注对顶板的支护，长距离空帮会存在两帮片垮的安全隐患，且会影响巷道长期支护的效果；②我国大部分煤巷要求“掘一锚一”，部分巷道允许的空顶距甚至小于1 m，现有临时支护很难满足“掘一锚一”要求下的快速临时支护；③现有临时支护一般会存在“支护-卸支护”效应，难以满足对围岩控制的要求。
1.3 永久支护技术与装备
我国煤巷永久支护主要通过锚网索及其他支护构件实现，目前普遍采用单体气动锚杆钻机人工辅助施工。实现煤巷快速掘进主要在锚网索支护材料、形式及支护施工机具方面进行了研发。在锚杆材料方面，国内外研究机构研发了自钻锚杆，通过锚杆钻孔、注射锚固剂、钻机预紧等优化锚杆支护“钻-锚-预紧”工艺，减少了工序间切换、移动机具时间。但在锚索、铺网方面，尚未见成熟的解决方案，仍需要采用传统工艺人工辅助实现，是目前制约支护速度、自动化施工的主要因素之一。液压锚杆钻机使锚索钻孔效率有了一定提升。在锚杆施工机具方面，国内外厂商对液压锚杆钻机进行了重点关注和研发，其中，山特维克研发了适用于煤矿的DO100～DO800系列产品，能够满足钻杆回转切削与推进速度匹配，可在各类围岩条件下钻进；九益公司研发了可一键启停的自动钻孔、自动安装锚杆的智能顶锚杆钻机[14-16]。基于液压锚杆钻机，国内外发展3类集成化的锚杆支护产品,首先是集成于掘进装备上的掘锚机，包括：悬臂式掘锚机、滚筒式掘锚机。实践发现，滚筒式掘锚机上的液压锚杆钻机基本能够实现掘进与顶板锚杆支护平行作业同时结束。锚杆钻车是液压锚杆钻机集成化的另一类产品，目前国内外形成了二臂、四臂、六臂的煤矿巷道锚杆钻车，在煤矿巷道支护中进行了应用。其中，山西天地煤机研发了多根锚杆钻进、锚固、安装的智能锚杆钻车(图5)，中煤石煤机研发了应用于煤矿巷道的钻进、锚固一体化的锚杆钻机，形成了煤矿巷道锚杆支护的新型装备。
图5 智能锚杆钻车
Fig.5 Intelligent hydraulic pressure rockbolter
此外，基于快速掘进系统的整体配套需求还形成了跨骑皮带的锚杆钻车、集成于转运机的运锚机，充分利用液压锚杆钻机的高效钻进、预紧与便于控制的优势，丰富了矿用锚杆施工机具。整体上看，永久支护装备的发展主要集中在锚杆施工机具方面，部分锚杆材料、施工装备已具备机械化、自动化的基础。目前我国煤巷快速成巷的锚索、钢带及网施工的装备还不成熟，适应我国大部分矿井煤巷快速掘进装备的研发仍处于起步阶段。
1.4 随掘钻探技术与装备
掘前探测是巷道安全掘进的必要保障之一，目前主要采用物探、钻探结合的手段。随着快掘装备集成化程度的提高，整机装备体积增大，钻探与掘锚装备换位困难，超前钻探逐步成为影响巷道快速掘进的重要因素。为实现便捷的超前钻探，国内装备厂商研发了掘探一体机(图6)，包括基于悬臂式掘进机的掘探装备和基于掘锚机的掘探装备。
图6 掘探一体机
Fig.6 Boom-type roadheader with hydraulic drill rig
1.5 其他技术与装备
除上述技术与装备外，国内外研究机构还在自主截割、导航、除尘、运输、通风以及状态监测、故障诊断等方面进行了研发，包括FLETCHER、JOY、SANDVIK、DOSCO 等公司研究的锚杆钻机自动化；欧盟委员会支持的智能截割；波兰KOMAG采矿技术学会与西里西亚工业大学合作研究的根据机器实时状态和地质条件自动调整操作参数和截割轨迹技术；CFT公司研发的井下除尘风机；山西天地煤机研发的长距离自移式皮带运输机。这些研究探索了实现掘进装备自动化、智能化的前沿技术，有效提升了巷道掘进辅助工序的效率，为煤矿巷道快速掘进奠定了基础[17-19]。
1.6 现有技术装备效果分析
由上述知，现有快掘装备主要围绕悬臂式掘进机、滚筒式截割装备在临时支护、永久支护材料及施工装备方面进行了集成化改造升级，并取得了一定成果。但实践发现，现有装备仍难以解决我国煤巷快速掘进的共性难题。研究[20]认为，悬臂式掘进机最初设计时并未考虑锚杆支护的配套，通过悬臂式掘进机加装锚杆施工装备实现快速掘进是行不通的。滚筒式掘锚机实现了掘进与支护的有机结合，但在占我国大多数的围岩破碎、需要小空顶作业的煤巷中仍难以适应。调研发现，滚筒式掘锚机组市场保有率为200～300台，绝大部分应用于神东、榆林等地质条件较好的矿区，在山西、安徽、山东等各省的矿区应用较少。总体上看，煤巷快速掘进系统的研发已进入技术瓶颈期，提升煤巷掘进速度除开展技术攻关还应深入剖析影响我国一般及复杂地质条件下煤巷快速成巷的主要因素，为建立适用于我国一般地质条件下的现有快速掘进系统选型方法奠定基础。
2 影响煤巷快速成巷的主要因素
影响煤矿巷道快速成巷的主要因素可分为3类：①围岩地质力学条件；②巷道工程条件；③掘进与支护装备水平。
2.1 围岩地质力学条件
围岩地质力学条件对巷道快速成巷的影响主要有以下3方面：
1)异常地质区。异常地质区的形式、数量及长度会影响巷道快速成巷，如：滚筒式的掘锚机无法在过陷落柱时及时支护，需要超前注浆、人工超前架设钢钎或人工钻装锚杆；掘进过断层时破岩效率低，有时还需悬臂式掘进机破岩或爆破破岩。因此，掘锚机在异常地质区掘进时辅助工程量大、耗时长。如图7所示，断层、陷落柱及褶曲对巷道快速成巷的影响。现有装备在掘锚机、矿用盾构等条件下使用，对构造适应能力相对较差，巷道构造数量多、构造带长度占比大时会影响巷道快速成巷。
图7 地质异常区对掘进的影响
Fig.7 Influence of geological abnormal on roadway drivage
2)应力环境。随着地应力增加，长距离空顶作业时掘进迎头发生冒顶、两帮片垮等安全事故的几率会增加。为减少围岩在应力作用下发生不连续变形、顶板离层，影响支护的长期效果，煤巷开挖后要求立即施加支护、且允许的空顶小。小空顶距要求快掘装备在掘进工作有限空间内掘后即支，掘支装备频繁交叉作业耗时长，制约着集成化大型装备的使用。现场实践还发现，高应力巷道掘后围岩破碎，围岩表面坑洼不平，会影响网片铺设、锚杆锚索孔的打设速度，进而影响成巷速度。此外，高应力巷道容易大变形，导致体积较大的掘进装备撤出困难，即便装备拆分撤出，耗费的人力、物力及时间均会影响煤巷快速成巷速度。
3)围岩赋存状况。围岩赋存状况是直接影响成巷速度的因素，主要包括：顶板围岩稳定性、顶板两帮围岩原生裂隙、底板强度及岩性。以阳泉矿区15号煤掘进为例，由于顶板围岩破碎(或顶煤)、煤体强度小，需要巷道及时支护甚至超前打设顶板钢钎；由于巷道容易片帮、垮帮，需要上下2次开挖，巷道掘进工艺复杂且工艺切换辅助作业耗时长，影响巷道快速成巷速度。巷道底板强度会制约装备的行走能力，装备整机重量过重时容易在强度较低、遇水易泥化的底板打滑，因此，履带式的掘进装备机身重量不宜超过100 t。
2.2 巷道工程条件
工程对巷道快速成巷的影响主要通过对成巷整体施工工艺及其对围岩应力环境、力学性能等的影响造成的。
1)对成巷整体施工工艺的影响。巷道掘进前通常需要打设对前方煤岩体中构造、水进行物探、钻探。钻探工程因要与掘进交叉作业进而会影响巷道整体的掘进速度。对于高瓦斯矿井，还需在掘进迎头抽采达标后掘进，瓦斯抽采与掘进交叉作业会影响巷道的掘进速度。此外，原有井筒、大巷的尺寸、运输能力会影响装备到位时间，当装备最大件尺寸大于大巷断面时，大巷还需要起底、扩帮，由此引发的工程、用时均应计入快速掘进工程中。
2)对围岩应力环境与力学性能的影响。巷道掘进的应力、围岩条件及施工条件会受原有工程的影响，主要包括以下3方面：①本层或邻近层存在采空区时，巷道围岩中会存在应力集中、围岩劣化的情况，进而影响巷道快速掘进，因此，留煤柱巷道特别是小煤柱巷道(沿空掘巷)一般不采用掘锚机组；②掘进工作面附近有工程扰动，如岩巷爆破等会便围岩劣化，影响巷道掘进。煤层开展过、瓦斯抽采后，煤体会变松软、破碎，影响巷道快速成巷；③围岩地质力学条件及工程条件决定了掘进工程的断面大小、施工工艺(全断面开挖、上下2次开挖；小空顶距、大空顶距；掘进速度)等主要参数，通过对其分析可对巷道成巷速度及实现掘进机械化、自动化的可能性进行初步判断，是巷道快掘装备选型的基础。
2.3 掘进与支护设备水平
掘进装备条件、支护方式与装备、装备布置合理性会影响巷道成巷速度。
1)掘进装备截割效率。截割破岩耗时相比支护施工耗时短，但也是影响快速成巷的主要因素之一。不考虑及时支护时，悬臂式掘进机最快掘进速度1 000 m/月左右，掘锚机最快掘进速度3 000 m/月左右，掘进开挖速度基本限定了巷道可以达到的最快成巷速度。
2)装备故障率。由于装备元部件的加工制造水平及装备维护售后等方面的原因，各装备厂家所生产的装备质量存在差异，设备故障率及故障维修速度也存在差异。一旦关键元部件发生损坏，较长的维修时间会影响巷道施工进度。
3)支护方式、支护材料及施工机具。支护是当前影响煤巷掘进最主要的因素，主要包括临时支护、永久支护。对于临时支护，如果可以通过零支护或简单的防护如(保证3 m左右以上可靠的临时支护)满足对掘进工作面安全及后期围岩控制的要求，将显著提升成巷速度。对于永久支护，如果顶板、两帮均需“掘一锚一”及时支护，成巷速度将严重受到制约。采用合理的钻锚一体化锚杆、钻装一体化液压锚杆钻架、长钻杆钻进能够简化锚杆施工工艺，提升成巷速度。此外，锚网索支护设计应结合掘进进尺、集成化钻机的布置形式合理优化，实现最高效的掘进支护施工。
4)装备布置合理性。装备布置应考虑各工序衔接，在保障人员作业空间及安全性的前提下实现支护材料储存、运输的施工，实现最合理的施工组织。条件允许的装备还需考虑钻探装备集成化布置，减少装备频繁调运、安装。考虑到装备下井的方便性，装备整机或最大件尺寸应小于矿井井筒、大巷最大运输能力，减少途经大巷巷修工程或拆装硐室工程。综上可知，煤巷快速掘进受多方面因素的影响，快掘系统的设计、选型应充分考虑各种因素的影响。结合现有掘进与装备的形式、特点，综合分析影响巷道快速成巷的因素，基本可确定适用于巷道的掘进装备、支护的设计和成巷的速度。针对影响具体巷道的多种因素，需确定各因素对整个巷道掘进影响程度并进行影响程度的排序，进而可以对比确定相应条件下实现巷道快速掘进的装备选型。
3 煤巷快速成巷技术效果评价
通过建立煤巷快速成巷评价体系，结合拟开挖巷道的围岩条件、各类快掘装备的特性，对装备掘进支护速度的提升效果进行预判及评价，指导选择适用性好的快掘装备。
3.1 煤巷快速成巷效果预判原则
综合考虑全程地质力学条件与装备特性，在保障安全的基础上对现有设备(包括对现有设备最大程度升级改造后)进行拟开掘巷道成巷速度的预判。
3.1.1 巷道全程考虑原则
评价巷道快速掘进不仅需要关注局部、短期的掘进速度，还应从全程的角度考虑其综合效率。MB670掘锚机组通常需要空顶空帮距离2～3 m、能够截割普氏系数为2～6的煤岩，如巷道全程陷落柱及围岩破碎地带、断层长度占比较大，巷道整体掘进速度会显著降低。当采用集成钻机的掘进自移式支架临时支护巷道需要“掘一锚一”时，由于液压系统反应较慢，架子稳定性差，其支护效率提升不明显；当巷道围岩条件允许长距离空顶时，自移支架可实现多部钻机一次搬运到支护位置同时施工，考虑全长时，钻机搬运、对找眼时间大幅减小，能够实现快速掘进。此外，部分矿井井筒、大巷断面小，难以满足集成化装备整机甚至最大件下井尺寸，需要巷修或开挖组装硐室，耗时长。巷道掘进钻探、瓦斯巷道抽采等辅助工程会影响巷道整体成巷用时，因此也需计入掘进效率的评价中。
3.1.2 考虑围岩、装备状况的评价原则
对于具体的巷道，其围岩条件基本能够决定适用的掘进装备与支护设计。通过掘进装备、支护设计亦能对快速掘进效率进行预判。考虑围岩、装备状况的快速掘进主要包括以下4方面：
1)掘进装备效率。按现有经验，不考虑及时支护时悬臂式掘进机掘进速度上限为1 000 m/月左右，掘锚机支护时掘进速度上限为3 000 m/月左右，通过装备的最大掘进速度能够对巷道成巷速度上限进行估算。
2)支护参数设计。当前煤巷主要采用锚网索支护，通过支护形式、密度等参数，如锚杆长度、间排距、锚索长度、间排距及网片形式、其他支护构件等支护参数设计能够对成巷速度进行进一步预估。
3)自稳的空顶空帮距离、时间。空顶空帮距离及时长是影响快速成巷的重要因素，允许的空顶空帮距大、空顶时间长可大幅提高成巷速度。允许的空顶距小于锚杆支护排距(如600 mm)时通常需要超前打设钢钎，巷道掘进速度极低；允许的空顶距接近锚杆支护排距(如600、800、1 000、1 200 mm)时，需要采用“掘一锚一”的工艺进行掘进，巷道掘进速度较低；允许的空顶距大于3 m时，可采用掘锚机组进行掘进，巷道掘进速度可大幅提升；允许的空顶距大于10 m时，可采用连采机配套液压锚杆钻车实现掘支平行作业，巷道掘进速度可进一步提升。
4)巷道围岩表面成型质量。巷道表面成型质量会显著影响掘进速度。对于集成化的快掘装备，国岩表面坑洼不平的巷道需频繁移动钻机寻找合适的锚杆安装位置；当顶板、帮部片冒严重时需增加钻杆换接实现设计的钻孔深度；需人工辅助铺网适应表面的坑洼状况(图8)。
图8 煤巷掘进帮部成型状况
Fig.8 Rib spalling in coal roadway drivage
3.2 煤巷快速成巷效果评价
采用层次分析法评价各因素对样本煤巷快速成巷的影响，并对现有快速成巷装备在样本煤巷的适应程度进行打分。样本煤巷基本情况见表1，通过yaahp软件计算影响煤巷快速成巷各因素的权重，见表2。表3为样本煤巷异常地质构造区影响下3种方案优势程度排序的计算示例。按照表3的计算方法依次计算异常地质构造、应力环境等11项细化指标影响下滚筒式掘锚机、悬臂式掘锚机、悬臂式掘进机配套自移支架3种方案的优势程度排序，结合表2中11项细化指标的权重，最终软件可计算得到滚筒式掘锚机打分结果为0.382 9、悬臂式掘锚机打分结果为0.375 6、悬臂式掘进机配套自移支架打分结果为0.241 16。
表1 样本煤巷基本状况
Table 1 Basic condition of sample coal roadway
影响因素状况评价异常地质构造区少应力环境应力低围岩强度及破碎程度顶板完整稳定、底板强度高、两帮易片帮围岩表面成型质量两帮成型差超前探测有疑必探瓦斯状况无瓦斯其他辅助工程井筒大巷运输条件好、其他辅助工程影响小
由此可知，所述条件的煤巷快速掘进选型排序依次为滚筒式掘锚机、悬臂式掘锚机、悬臂式掘进机配套自移支架。其中，由于样本煤巷两帮片帮影响帮部钻杆安装、金属网铺设，采用滚筒式掘进机效率优于悬臂式掘锚机较少。通过多因素的煤巷快速掘进评价方法，不仅能够对影响快速成巷因素的重要性进行排序，确定重点攻关方向，还能对现有快掘装备适应性进行评价，实现快掘装备选型。
表2 煤巷掘进影响因素打分
Table 2 Evaluation index weight of influence
factor in roadway drivage
评价指标指标细化权重累计权重围岩地质力学条件异常地质构造区0.063 9应力环境0.115 8围岩强度及破碎程度0.183 4围岩表面成型质量0.303 60.666 7工程条件超前探测0.153 5瓦斯抽采0.020 3其他辅助工程0.048 40.222 2掘支装备条件截割效率0.028 1装备故障率0.010 5支护效率0.064 8装备布置0.007 80.111 2
表3 方案的优势程度排序计算
Table 3 Calculation priority ranking of schemes
装备选型方案滚筒式掘锚机悬臂式掘锚机悬臂式掘进机+自移支架滚筒式掘锚机1.000 00.500 02.000 0悬臂式掘锚机2.000 01.000 02.000 0悬臂式掘进机+自移支架0.500 00.500 01.000 0
4 结 论
1)国内外在掘进装备、临时支护与永久支护等煤巷快速掘进装方面进行了攻关，现阶段巷道掘进破岩装备基本能满足煤巷快速成巷需求，临时支护不能普遍满足我国各类围岩条件下煤巷随掘随支的要求。与传统的单体施工装备相比，集成化的永久支护装备效率显著提高，但由于锚杆支护环节多、工艺繁琐，尚不能满足我国煤巷快速成巷的需求。
2)影响煤巷快速成巷的因素包括：围岩地质力学条件、工程条件、掘进与支护装备条件等。针对现阶段我国煤巷快速成巷装备尚不能适应各类围岩条件的现状，应充分考虑影响煤巷快速成巷的各种因素，综合评价影响具体巷道快速成巷的主要因素及影响程度，为巷道快速成巷装备选型提供依据。
3)应用基于层次分析方法的yaahp软件，确定了影响样本煤巷快速掘进的主要因素，对采用滚筒式掘锚机、悬臂式掘锚机和悬臂式掘进机配套自移支架的3种方案进行综合打分，其中滚筒式掘锚机0.382 9、悬臂式掘锚机0.375 6、悬臂式掘进机配套自移支架0.241 16，因此，适用于样本煤巷的快速掘进装备选型的优先顺序依次为滚筒式掘锚机、悬臂式掘锚机、悬臂式掘进机配套自移支架。
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