文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-074-03中圖分類(lèi)號：TP29

★繩軍鋒（陜北礦業(yè)公司，陜西榆林719000）

關(guān)鍵詞：快掘系統；智能化改造方案；應用實(shí)例

煤炭行業(yè)作為國家經(jīng)濟和能源供應的重要支柱，在未來(lái)很長(cháng)時(shí)間仍將是我國的主要能源。我國煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從上世紀80年代人工炮采、到本世紀機械化開(kāi)采、再到2010年綜合機械化作業(yè)的提出，目前正逐步向自動(dòng)化采煤及智能化開(kāi)采方向邁進(jìn)?？炀蛳到y通過(guò)采用掘、支、運平行推進(jìn)的運行方式解決了傳統掘進(jìn)工藝中存在的截割效率低、支護效率低、運輸效率低、工序均衡性差、輔助作業(yè)環(huán)節多和人機與環(huán)境不協(xié)調等問(wèn)題，但與地面設備相比，仍存在設備智能化程度低、系統集成化欠缺和人員安全保障等問(wèn)題。王國法院士指出，未來(lái)煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐^[1]?！秶夷茉醇瘓F煤炭產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規劃》也明確提出要深度融合智慧技術(shù)，全面推進(jìn)煤礦智能化建設^[2]。

第一套快掘系統于2013年1月25日安裝在神東煤炭集團下屬的大柳塔煤礦，并于2013年2月6日開(kāi)始試生產(chǎn)。該快掘系統累計掘進(jìn)巷道15362m，其中日最高進(jìn)尺102m，月最高進(jìn)尺2514m?？炀蛳到y的配套與應用，一方面緩解了煤礦企業(yè)日益失衡的產(chǎn)能收益比，降本增效顯著(zhù)；另一方面，解決了傳統開(kāi)采工藝中的重復作業(yè)等弊端?？炀蛳到y采用掘、支、運平行作業(yè)，合理支護，優(yōu)化人機配合，極大改善了工人工作面環(huán)境，保障了煤礦安全生產(chǎn)?？炀蛳到y經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，由中煤科工集團太原研究院研制的以掘錨一體機為龍頭的快掘系統創(chuàng )造了煤巷月進(jìn)尺3088米的世界紀錄。隨著(zhù)人工智能和傳感器技術(shù)的發(fā)展，快掘系統一方面由廠(chǎng)家更新迭代，另一方面針對現存快掘系統，煤礦企業(yè)聯(lián)合廠(chǎng)家結合設備實(shí)際使用環(huán)境對快掘系統進(jìn)行了智能化改造升級，提高了設備智能化水平，打造了智能化礦山建設。近年來(lái)，國能集團、中煤能集團、晉能集團、陜煤集團等超大型煤炭企業(yè)均啟動(dòng)快掘系統智能化改造與建設，在減少下井人員、提升安全生產(chǎn)水平和產(chǎn)能提升方面取得了一系列成果。在煤礦智能化背景下，本文通過(guò)對快掘系統的研究，剖析現有快掘系統電氣傳動(dòng)裝置智能化改造方向，并結合現有改造應用，淺談快掘系統電氣傳動(dòng)當前與未來(lái)智能化改造方法及應用。

1　快掘系統

傳統掘進(jìn)工藝中，開(kāi)采效率低，開(kāi)采后支護銜接不匹配；臨時(shí)支護需要人工輔助完成，工序勞動(dòng)強度高；運煤效率低，轉接傳送帶距離短易撒煤；所有工作銜接均需要人員參與，并且繁瑣復雜?？炀蛳到y針對傳統開(kāi)采工藝弊端提出了以空間換時(shí)間的概念，通過(guò)掘、支、運平行作業(yè)來(lái)實(shí)現掘進(jìn)工藝的平衡?？炀蛳到y主要由掘錨一體機、錨護轉載破碎機、連續運輸系統等設備構成，如圖1所示。掘錨機可實(shí)現截割和支護共同作業(yè)、平行作業(yè)。轉載破碎機可將截割較大煤礦進(jìn)行分解、運輸，釋放了掘錨機工作潛能。連續運輸系統可提升運煤效率?？炀蛳到y施工循環(huán)共分為7步，依次是截割、降臨時(shí)支護、收穩定靴、推進(jìn)、鋪網(wǎng)、開(kāi)啟升臨時(shí)支護和穩定靴、聯(lián)網(wǎng)、永久支護，該系統解決了傳統掘進(jìn)中運輸和錨護不匹配制約礦井成巷效率的問(wèn)題。

圖1 快掘系統結構示意圖

1.1　掘錨一體機

掘錨一體機是煤礦行業(yè)中一種用來(lái)進(jìn)行井下巷道掘進(jìn)和支護的機械設備，如圖2所示。它能夠完成邊掘進(jìn)邊支護的一體化工作，屬于集成裝備。構成掘錨一體機的結構主要包括龍門(mén)機架、鉆臂系統、延伸機構、TRS臨時(shí)支撐系統及液壓傳動(dòng)系統。

掘錨一體機能夠有效解決因為錨桿支護所導致的掘進(jìn)速度下降問(wèn)題，該設備是掘進(jìn)機和錨桿機的有機結合，能夠完成兩種設備的一體操作，實(shí)現共同作業(yè)目標，提高了工作效率。掘錨機的應用基礎是掘錨一體化技術(shù)，這項技術(shù)能夠使掘進(jìn)和錨護一起作業(yè)。掘錨一體機操作方便簡(jiǎn)單，作業(yè)能力強，設備在提高煤礦作業(yè)效率的同時(shí)，還可以防止煤礦工作人員在作業(yè)時(shí)因過(guò)度勞累或其他原因導致的問(wèn)題。以掘錨一體化技術(shù)為基礎的掘錨一體機，能夠縮小空頂距離，保證空頂距離在規定范圍之內。此外，掘錨一體機能夠在井下作業(yè)范圍內安裝防塵通風(fēng)系統。

圖2 掘錨一體機

1.2　錨護轉載破碎一體機

履帶式錨護轉載破碎機如圖3所示，是快掘系統中的重要配套設備之一。它與掘錨一體機、皮帶輸送機和邁步式自機尾配套使用，可實(shí)現煤塊落、儲、碎和運的機械化流水化作業(yè)。錨護轉載破碎機的工作是將掘錨機截割出的尺寸較大的煤塊進(jìn)行破碎并均勻地將小尺寸煤塊運輸給皮帶輸送機，一方面滿(mǎn)足了皮帶輸送機對煤塊尺寸的要求，另一方面該組合不僅降低了掘錨機因大塊物料導致故障停機的可能性，也提升了連續作業(yè)的自移機尾和皮帶輸送機的轉運能力。同時(shí)因其較低的接地比壓而增加了對底板的適應性，也可承擔部分錨桿錨索的錨護任務(wù)。

圖3 履帶式錨護轉載破碎機

1.3　連續運輸系統

連續運輸系統主要由皮帶輸送機和皮帶輸送機自移機尾組成，如圖4所示。其中皮帶輸送機自移機尾是一種左右交替循環(huán)邁步前進(jìn)的一種輔助運輸設備，可與巷道內主運皮帶輸送機連接，從而實(shí)現連續快速地將物料運輸出巷道。在連續運輸系統中皮帶輸送機結合自移機尾動(dòng)力單元，實(shí)現了工作面前端裝備移動(dòng)時(shí)機尾通過(guò)液壓傳動(dòng)抬升整個(gè)架體，再由推移液壓?jiǎn)卧獙⒆笥臆壍澜惶媲耙?，隨后架體落下通過(guò)軌道前進(jìn)。在自移機尾末端增設伸縮機身裝置可使生產(chǎn)班在生產(chǎn)過(guò)程中，將自移機尾移設到預定位置后無(wú)需補充后邊空缺的H型剛性架，大幅縮短了人工輔助作業(yè)時(shí)間，減少了作業(yè)面人員數量，提高了安全生產(chǎn)指數，同時(shí)提升了掘進(jìn)效率。

圖4 皮帶輸送機用自移機尾

2　電氣傳動(dòng)系統智能化改造方案

（1）快掘系統高度集成化設計。設備高度集成化是實(shí)現工作面減員、運維一體化的關(guān)鍵?？炀蛳到y操作人員在操作平臺即可實(shí)現遠程智能化操作。將快掘系統中的掘錨機、破碎轉載機以及各個(gè)子設備整合化一，設備狀態(tài)依托傳感器實(shí)時(shí)感知，實(shí)時(shí)監控各設備運行情況；電氣傳動(dòng)智能化改進(jìn)，操作指令高度統一，遠程動(dòng)作實(shí)時(shí)反饋，提升快掘系統運行效率和人員工作安全指數。

（2）電氣傳動(dòng)設備故障診斷?？炀蛳到y由多個(gè)設備協(xié)同運行，任一設備發(fā)生故障停機，都會(huì )對整個(gè)系統造成嚴重影響。例如，皮帶輸送機故障時(shí)不能將煤炭及時(shí)運輸出去，堆煤嚴重時(shí)會(huì )逆向造成掘錨機故障。因此，利用傳感器技術(shù)與人工智能相結合，可實(shí)現快掘系統電氣傳動(dòng)裝置在線(xiàn)檢測和故障預警、診斷。

（3）人員高危行為檢測?？炀蛳到y的應用，使得煤炭綜采面作業(yè)人員大幅減少，并且已基本實(shí)現了設備遠程操作，進(jìn)一步減少了工作人員數量。但是人員減少并不能避免設備違規操作的發(fā)生，要建立起人員定位和異常行為檢測的高危行為檢測系統。

（4）自適應截割技術(shù)?，F有快掘系統中的掘錨機電氣傳動(dòng)機構無(wú)法根據地質(zhì)三維模型和掘進(jìn)方案自動(dòng)調整掘錨機行走方向及姿態(tài)，同時(shí)掘錨機刀頭電傳也未實(shí)現根據煤巖體硬度自適應調節截割量和轉速參數。結合人工智能算法和傳感器感知技術(shù)可實(shí)現快掘系統自主決策，將人員從危險的掘進(jìn)工作面解放出來(lái)，實(shí)現“智能化”掘進(jìn)。

3　應用實(shí)例

（1）寧夏煤業(yè)快掘系統智能化升級改造。一直以來(lái)，快掘系統智能化改造與國內煤礦綜采技術(shù)裝備的快速發(fā)展相比，進(jìn)展遲緩。寧夏煤業(yè)針對自身發(fā)展實(shí)際和煤礦現狀確定并實(shí)施了“三步走”的快掘智能升級改造技術(shù)路線(xiàn)。近兩年寧夏煤業(yè)進(jìn)行設備功率升級，掘進(jìn)工作面向所有設備遠程操控、集中控制等研究與應用，向快掘系統高度集成化設計邁進(jìn)。寧夏煤業(yè)還計劃與三一重工、中煤科工太原研究院等科研單位共同攻克快掘系統智能化難點(diǎn)，提高煤礦掘進(jìn)工效^[3]。

（2）龍華礦應用智能快掘后配套系統。該系統穩定可靠，電氣傳動(dòng)設備在線(xiàn)監控，智能化程度高，可適用于任何掘錨機，可適應的巷道條件及投入成本僅為傳統破碎機、梭車(chē)和帶式轉載機配套總投入的0.5倍，且該系統應用在龍華礦302盤(pán)區后，巷道平均月進(jìn)尺相比原來(lái)提升1.5倍^[4]。

（3）陜西陜煤黃陵二號煤礦以數字技術(shù)為煤礦生產(chǎn)科技賦能。通過(guò)將掘錨機電控系統與導航技術(shù)、環(huán)境地圖、傳感器感知相結合的方式，使掘進(jìn)裝備對自身及周邊環(huán)境具有可感知性、可度量性，建立了掘進(jìn)裝備－環(huán)境的交互關(guān)系。通過(guò)數字孿生技術(shù)，采用路徑規劃、截割規劃、控制系統等相結合的多機自適應協(xié)同控制平臺進(jìn)行統一調度和管理，可提高快掘系統電氣傳動(dòng)智能化水平，逐漸實(shí)現綜采工作面少人、無(wú)人的目標^[5]。

（4）陜西陜煤曹家灘煤礦智能隨動(dòng)連續運輸系統。該系統根據自身需求與中煤科工集團共同研制，實(shí)現了掘進(jìn)工作面后配套運輸系統智能延伸、連續作業(yè)，同時(shí)集智能集中供電、集中控制中心于一體，形成了掘、支、錨、運平行作業(yè)的快掘系統，在滿(mǎn)足智能化掘進(jìn)工作面建設要求的基礎之上，在掘進(jìn)效率提升、減人增安等方面效果顯著(zhù)[6]。

4　結語(yǔ)

在智能化發(fā)展背景下，快掘系統解決了傳統開(kāi)采工藝的諸多問(wèn)題，并在企業(yè)降本增效、保障生產(chǎn)安全中發(fā)揮著(zhù)重要作用。目前大多數企業(yè)已實(shí)現快掘系統高度集成化設計和應用，但是快掘系統中各設備電氣傳動(dòng)智能化程度仍然較低。結合當前智能化改造方案，未來(lái)針對快掘系統電氣傳動(dòng)部分，可以結合PHM技術(shù)實(shí)現關(guān)鍵部件故障診斷與壽命預測。

作者簡(jiǎn)介：

繩軍鋒（1975-），男，陜西西安人，工程師，碩士，現就職于陜北礦業(yè)公司，主要從事礦山機電技術(shù)應用與管理方面的研究。

參考文獻：

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[5] 段連杰, 廉兵. 快掘系統的掘錨一體機智能監測技術(shù)研究[J]. 內蒙古煤炭經(jīng)濟, 2021 (24) : 56 - 58.

[6] 王銳, 程磊. 曹家灘煤礦智能快掘隨動(dòng)連續運輸系統的研究與應用[J]. 智能礦山, 2022, 3 (08) : 82 - 86.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊