应用
750504
摘要：智能快速掘进系统为复杂地质条件下掘进工作面安全生产提供保障。通过对任家庄煤矿提高单进水平的探索实践，阐述实现智能装备协同运转、控制机理技术创新、施工组织措施优化，为推进智能掘进技术发展提供实践基础。
关键词：智能掘进 协同运转 技术创新 一、引言
任家庄煤矿位于宁夏灵武市东北约20 km的毛乌素沙漠的边缘，西隔黄河30 km与银川市相望。矿井地质储量4.0345亿吨，可采储量1.91亿吨，其中1/3 焦煤1.6 亿吨，矿井主采煤层为三煤、五煤和九煤。任家庄煤矿设计生产能力 240万t/a，2022年核定生产能力400万t/a。矿井采用斜井单水平上下山开拓方式，走向长壁综合机械化采煤方法。矿井共划分为5个采区，其中上山采区 3 个，分别为11采区、12采区、13采区，下山采区2个，分别为21采区和23采区。目前，11采区正在开采，布置2个综采工作面和4个综掘工作面；2021年实际产量360万吨，为国家煤矿安全生产标准化一级矿井。现我矿智能化设备配套逐年投入，掘进作业智能控制从中级逐步向高级迈进。
二、存在问题及制约因素
任家庄煤矿受洗选和运输系统限制，不同的煤种不能同时生产，因此综采工作面均采用一采一准作业方式，错时生产。月推进度达到160～210 m左右，矿井单产达到30万吨/月/个。单进水平方面，任家庄煤矿回采巷道中的煤巷和半煤岩巷采用综合机械化掘进工艺，综掘机液压前探梁进行临时支护，运输采用胶带输送机运输，随工作面掘进向前延伸，掘进工作面迎头使用2台 MQT-125 型
液压锚杆钻机打设和安装顶部锚杆、锚索，虽然个别班组单班最高进尺8m，日最高进尺16m，月最高进尺426m，但不能稳定掘进水平，实现均衡掘进。而且 11 采区北翼有4条断距3～16m的倾向断层，几乎贯穿整个采区，在掘进中遇到岩石不得不经常改为炮掘工艺施工，大大降低掘进单进水平，从而造成采掘矛盾。制约单进水平提高的具体原因分析如下：
（一）影响掘进速度、效率的地质原因
围岩松软，掘进循环进度小。由于任家庄煤矿巷道围岩松软，易于冒漏， 现掘进循环进度基本保持在1m/循环以下，掘进循环进度小，掘进过程中循环次数多，掘进机后撤、挂网等辅助工序及临时支护占用时间长，工艺复杂，导致每班掘进进尺低，单进水平低下。受淋水影响底板松软，掘锚机等大型、重型装备易导致巷道底板破坏，机器行走困难，适应性差。
（二）装备协同原因
综掘设备与巷道断面形状和尺寸的适用性较差，大断面巷道无法做到一次切割成型，调机作业占用时间；支护设备采用液压锚杆钻机，锚杆安装使用扳手人工操作，作业效率低，锚杆锚索安装质量初锚力无法保证。在节理裂隙发育的煤层中采取及时封闭围岩的措施，但现场受运输限制不能满足喷射混凝土需要；喷射混凝土设备效率低、回弹大，无法及时封闭围岩，加剧了围岩因风化而局部脱落造成的支护失效。
（三）队伍技能素质原因
按照生产指标要求存在采煤重于掘进的现象，研究掘进部署、系统、技术工艺投入的精力不够，掘进队伍的配备、人员教育培训、操作技能、操作熟练程度都较低，队伍稳定性也较差。
介于掘进制约因素关系而进行综采工作面接续，就必须依靠大量增加掘进头来保接续，形成了工作面多、掘进头多、用人多、占用设备多、系统复杂、管理难度大的“多、杂、难”局面。提高单进水平，实现减面、减头、减人、优化系统的“一优三减”已势在必行，迫在眉睫。
三、提高单进的途径措施
快速掘进研究的重点就是根据当前影响掘进速度的主要因素分析，围绕适合任家庄煤矿地质条件的掘进机械化作业线开展技术攻关，解决装备与工艺的适应性、可靠性和机械化问题。研究的重点落实在掘进与支护的设备匹配问题、掘进与运输系统的匹配问题、与设备厂家联合研发高效支护远控设备或器具(包括锚杆锚索打眼、安装、紧固和喷射混凝土的成套设备)。培养高素质的员工队伍与先进的技术装备同等重要，强化员工技能培训，熟悉设备使用工艺技巧，建立良好的激励机制。任家庄煤矿因地制宜制定“典型引路、重点突破、整体推进”的工作思路，在工作中努力提高重点掘进工作面的单进水平，确保采掘接替正常。
任家庄煤矿配套EBZ200M-4型掘锚支护一体机与自移皮带机尾运输的远程协同控制基础上，采取优化工艺流程，树立精益生产的理念，着力在消除浪费、缩短时间、提高效率、降低成本等方面下功夫，力求达到精准、精良、精确、精细、精通“五精”目标，减少停滞浪费、效率浪费、运行浪费、工序浪费、人力资源浪费的“五种浪费”。目前，通过优化生产作业流程、设备检修流程、生产指挥流程等业务流程，挖掘生产环节潜力，最大限度延长有效生产作业时间。已推行“4+X”检修制度，巷道施工采用“锚、网、索、喷”一次成巷技术，“保后巷促迎头”解决出碴、运料浪费；提前施工石门、联巷等岩巷工程，解决等待浪费等措施，优化生产组织初见成效。
四、构建快速掘进成套装备智能化控制应用平台
快速掘进成套装备智能化控制平台是由多个子系统组成的复合型系统，包括单机组作业系统、多机组联合作业系统、智能截割控制系统、无线通信系统、集中控制、超前探测体系等新型专业技术。构建快速掘进成套装备智能化控制系统，要具备一定的自主决策能力，精准导向、多参数感知、自适应截割、自动支护、连续运输、状态监测与故障预判、高效除尘、紧跟迎头，掘支平行，快速成巷。这样操作人员可以精准定位掘进机器，同时也可实现对掘进环境进行实时监测，具有远程一键启动自动截割功能，实现无人化、自动化、智能化的多机组协同作业。
该系统主要由掘锚支护一体机、胶带机自移机尾、自动上料湿式喷浆机、干式除尘器、集中控制操作台、物探传感器等构成。根据生产现场工作面实际工况，设置采高、卧底量、单刀进尺、预留量、煤岩结构等参数，就可通过远程控制或就地控制，一键启停自动截割。系统内置截割速度、掏槽深度、截割电机电流、截割电机温度匹配模型，能够根据检测数据实施调整截割策略，在保证截割效率前提下保护设备。通过人工干预、视频监控实现多循环自动截割，主要技术思路是采用“掘、支、运”进行同步一次成巷作业，从而实现快速掘进的目的。
1.
掘锚支护一体机。配套掘锚支护一体机可以很好地适应不同的作业环境，对不同的作业工况具有一定的预判以及处理能力，并将这些状态实时传输至工作面集中控制室，以实现对控制系统的远程监控以及设备的协同控制，确保生产作业的安全实施。全自动锚杆钻机固定在整机截割伸缩臂两侧，钻机将钻杆固定于钻杆仓夹机构中，钻杆仓内最多可装设5根钻杆形成连发形式，机械手设置在钻杆加持机构与钻杆仓之间，可转动用于抓取钻杆，整套钻架使用电液控系统，在预先设置程序下，实现作业工序智能化完成。
考虑到快速掘进工作面的地质环境、控制系统作业性能以及作业生产的需求等各项因素，通过将系统进行整体化处理，在无线通信技术的作用下完成各设备的协调，在工作面控制室的统一协同控制下使其实现信息互通联系作业。
（二）超前临时支护
机载超前支护安装掘进机本体架中部，支护操作台位于掘进机掘进机驾驶位右侧，由掘进机操作员控制超前支护的伸缩支撑。掘进机加装锚杆钻机后实现适应最小巷道尺寸为4.2m，适应最小巷道高度2.8m。支护调整方式手动调整油缸、回转减速器实现支护的伸缩支撑动作。支护最大支撑载荷3T。支护（1台）伸缩臂2级伸缩，伸缩行程2.15m。最大支撑高度4.5m。支护伸缩臂调角范围0°-32°，支护展开最大宽度4.3m。支护回转减速器调整范围0°-180°，调平油缸调整范围0°-35°。
（三）喷浆系统
远距离混凝土湿式喷射机，它是在原来喷射机的基础上，增加了液压系统、自动行走系统和湿式除尘系统。混凝土喷射量实现无级调节，输送距离远，目前未处理的物料可以喷射400m以上。摩擦板及旋转衬板的自动润滑，提高了系统密封性能，减少易损件消耗；压紧机构自动压紧，确保压紧力的精准控制，保证了喷射量和喷射距离。喷浆机械手完全替代人工抱喷头作业，将劳动强度降到最低，并且喷射更加均匀。自动收放的液压支腿，保证了混凝土喷射过程中整机的稳定性。遥控作业，实现对作业人员的安全保护，有效降低作业人员劳动强度。喷射角度大，喷射范围广，能保证最佳的喷射距离和喷射角度，实现均匀喷射，降低喷射回弹，减少物料损失。专用湿式除尘器保证作业过程无粉尘排放改善了作业环境；料斗座自动翻转，减轻维修劳动强度，履带底盘自动行走，移动方便、快捷。
（四）干式除尘风机
干式除尘风机主要由控尘（控尘风筒）、抽尘（吸尘罩及负压风筒）、除尘（高效除尘器）三部分组成。高效除尘器由矿用防爆抽出式对旋轴流局部通风机（以下简称风机）与除尘箱装配组成。含尘空气被吸入除尘器后，被高速旋转的叶轮雾化，形成泥水、尘雾，气流夹带泥水、尘雾至除尘箱的捕尘器位置，粉尘被再次捕捉并形成泥滴，未形成水的水雾在气流的夹带下行至除雾器，被除雾器搜集并形成水滴，最后形成的污水在除尘箱底板上会流出除尘箱。
设备采用大功率对旋轴流除尘风机，不仅处理风量大，并且能形成高负压，抽尘效果好。应用控尘风筒，能够最大限度将含尘空气控制在迎头范围内，不会向巷道后逸散，实现了高效除尘。经第三方检测机构测定，除尘风机与综掘工作面采取的净化水幕、综掘机喷雾等其他一些防尘设施配合使用后，工作面割煤期间最高粉尘浓度下降到全尘20.04mg/m3，工作面综合除尘率提高65%以上，粉尘浓度明显下降；经计算除尘风机除尘率达到90%以上，控尘除尘效果明显。
（五）迈步式自移机尾
迈步式自移机尾具有自移、调平、调偏和快速调整机身的功能，保证掘进机、二运转载带式输送机和可伸缩带式输送机的良好衔接，实现提高掘进运输效率和降低人员劳动强度的目的。
敷设伸缩最大长度80m，主要包括迈步式自移机尾、电器平台、伸缩机身、机尾部、机尾轨道、中间架、推移油缸、调平油缸、调偏油缸等组成。依靠夹带油缸夹紧输送带，并在抬滚、驱动滚筒共同作用下形成不小于120°围包角，液压马达带动传动滚筒旋转，则牵引机构以输送带为支点，拖动铰接式伸缩机身自动伸展；在非工作状态，夹带油缸活塞杆伸出，使抬滚与传动滚筒脱离，输送带与传动滚筒脱开，避免输送带摩擦损伤。
（六）超前探测传感器
超前探测实现巷道掘进施工前、中、后地质预判的基础数据来源,是一切智能掘进关键技术实施的前提保障。创新技术在于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的使用，随掘地震技术在原始信号脉冲化即重构处理研究的基础上,构筑全空间三维立体探测高精度探测与精细成像技术，在掘进中给与地测技术人员辅助参考和提前预测，确保各项生产正常进行。
五、智能掘进技术创新效果
随着智能掘进技术成熟的操作应用，我矿重视对智能成套装备使用维护逐年加重比例投入，掘锚机钻进每根2.6m钻杆时间46S，是气动钻机2.1倍，液压扭矩达450Nm，系统运行每米节省工序时间17分钟；减少操作人员数量，由原先的13人减少至每班仅5人便可完成掘进作业。按照接续安排向深部开采，瓦斯增大，进入突出区域，受瓦斯和地压影响，近年单进每月实现在520m以上，综合单进240m左右。
在操作使用中不断总结和摸索适合我矿地质条件运行的规律，修正完善存在的不足，现对智能掘进技术创新应用较好的三个典型举例如下。
（一）智能协同技术。利用无线网络与工作面中各子系统、各设备机组间进行即时通信，做到对各设备运行状态的实时监测、工作面视频画面的实时传输，
实现远程的设备启停、运输数据、指令的传输，实现以工作面的自主控制为主、监控中心远程干预控制为辅的智能化高安全性的自动作业方式。掘进自动定位定姿、记忆截割和自适应智能截割根据惯性导航系统作为快速掘进中设备机身姿态以及掘进方位的检测，以此提升巷道中作业效率及精准度。
（二）远程控制智能升级改造。利用原有EBZ-160A型掘进机的截割部两侧增加机载锚杆机组和掘进机机身上增加超前支护，使其在不影响掘进机性能的前提下，实现遥控打锚杆、上锚网、超前支护等功能，对现有EBZ-160A掘进机手动液压控制系统进行改造，增设升级EBZ-160A掘进机电液控制系统，从而实现巷道掘进的连续作业。研发一套远程监控系统，实现远程监测掘进机运行参数，通过视频监视、增强现实（AR）、数字孪生等技术的辅助，实现远距离操控掘进机执行动作，完成掘进机行走、截割等工作，启用原有机型基础改造智能机型适合巷道尺寸掘进，为矿节省成本，创造经济价值。
重点研发脐带缆高速通讯技术和装备，克服一直困扰远程液压控制的难题，受海底深水油气勘探启发，脐带缆内置电缆(动力缆或信号缆)、光缆(单模或多模光缆)、液压管(钢管或软管)的组合传输功能，基于数字孪生AR技术的远程监控软件，实现掘进工作面300m之外远程精准操控。
（三）研发机载超前支护和自动行走自移装置。
现有综掘机机载临时支护仅能对顶部片帮、矸石掉落进行防护，无法对左右两帮及迎头的片帮、掉矸进行防护，操作人员存在被片帮、矸石伤人的风险。由于无两帮及迎头的防护，每个循环割煤结束后需要人工进行“敲帮问顶”，挂设迎头柔性网等减低片帮、掉矸风险，占用大量的作业时间。我矿研发全断面包围式机载超前支护装置，能够对顶部、左帮、右帮、迎头进行四面防护，先在已有的顶部临时支护前探梁加装可伸缩千斤及前挡板，可对掘进迎头的掉矸、片帮进行防护。再在左右两帮各加装可伸缩的千斤及防护挡板，可根据掘进工作面的断面进行调整角度、高度，实现对左右两帮的煤壁片帮进行防护。改装后的综掘机临时支护可实现对四面防护，由于后部为已使用的永久支护及巷道底部，人员在掘进工作面迎头、帮部进行锚杆、锚索支护期间进行安全防护，又减少敲帮问顶的工序，保证迎头及作业期间的人员安全。
遇见煤层底板松软或淋水大时，掘锚机出现行走困难，针对此种问题，我矿提出小改小革在掘锚机行走部后端加设2组推移油缸，油缸底座制作支撑滑靴，这样在泥泞条件下可以自移行走，克服行走困难。
六、结束语
通过智能快速掘进装备创新技术的应用能够完成多机组联合作业，满足巷道掘进作业中采掘、破碎、支护、运输等工序的快速实施，构成“掘、支、运”同步一次成巷作业。任家庄煤矿在提高单进实际应用中取得了一定的成绩，不仅优化了采掘工艺与装备配套的系统工程，更需要的是靠完善的智能控制，先进的施工技术，科学的管理方法来保证。在智能化控制系统新型专业技术创新应用上，任家庄煤矿可以作为典型案例进行推广，目前正不间断地攻克一些技术工艺在实际应用中的困难问题，努力完善符合快速掘进标准作业体系，加快推进国家能源公司智能化掘进技术规范化。
作者简介：韩永亮（1987-），工程师，2010年毕业于辽宁工程技术大学，现在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司任家庄煤矿工作。
7
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容