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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-074-03中圖分類號：TP29

★繩軍鋒（陜北礦業(yè)公司，陜西榆林719000）

關(guān)鍵詞：快掘系統(tǒng)；智能化改造方案；應(yīng)用實例

煤炭行業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)和能源供應(yīng)的重要支柱，在未來很長時間仍將是我國的主要能源。我國煤炭開采技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從上世紀(jì)80年代人工炮采、到本世紀(jì)機(jī)械化開采、再到2010年綜合機(jī)械化作業(yè)的提出，目前正逐步向自動化采煤及智能化開采方向邁進(jìn)。快掘系統(tǒng)通過采用掘、支、運(yùn)平行推進(jìn)的運(yùn)行方式解決了傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝中存在的截割效率低、支護(hù)效率低、運(yùn)輸效率低、工序均衡性差、輔助作業(yè)環(huán)節(jié)多和人機(jī)與環(huán)境不協(xié)調(diào)等問題，但與地面設(shè)備相比，仍存在設(shè)備智能化程度低、系統(tǒng)集成化欠缺和人員安全保障等問題。王國法院士指出，未來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]。《國家能源集團(tuán)煤炭產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)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(shè)^[2]。

第一套快掘系統(tǒng)于2013年1月25日安裝在神東煤炭集團(tuán)下屬的大柳塔煤礦，并于2013年2月6日開始試生產(chǎn)。該快掘系統(tǒng)累計掘進(jìn)巷道15362m，其中日最高進(jìn)尺102m，月最高進(jìn)尺2514m。快掘系統(tǒng)的配套與應(yīng)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；另一方面，解決了傳統(tǒng)開采工藝中的重復(fù)作業(yè)等弊端。快掘系統(tǒng)采用掘、支、運(yùn)平行作業(yè)，合理支護(hù)，優(yōu)化人機(jī)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)。快掘系統(tǒng)經(jīng)過十余年的發(fā)展，由中煤科工集團(tuán)太原研究院研制的以掘錨一體機(jī)為龍頭的快掘系統(tǒng)創(chuàng)造了煤巷月進(jìn)尺3088米的世界紀(jì)錄。隨著人工智能和傳感器技術(shù)的發(fā)展，快掘系統(tǒng)一方面由廠家更新迭代，另一方面針對現(xiàn)存快掘系統(tǒng)，煤礦企業(yè)聯(lián)合廠家結(jié)合設(shè)備實際使用環(huán)境對快掘系統(tǒng)進(jìn)行了智能化改造升級，提高了設(shè)備智能化水平，打造了智能化礦山建設(shè)。近年來，國能集團(tuán)、中煤能集團(tuán)、晉能集團(tuán)、陜煤集團(tuán)等超大型煤炭企業(yè)均啟動快掘系統(tǒng)智能化改造與建設(shè)，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，本文通過對快掘系統(tǒng)的研究，剖析現(xiàn)有快掘系統(tǒng)電氣傳動裝置智能化改造方向，并結(jié)合現(xiàn)有改造應(yīng)用，淺談快掘系統(tǒng)電氣傳動當(dāng)前與未來智能化改造方法及應(yīng)用。

1　快掘系統(tǒng)

傳統(tǒng)掘進(jìn)工藝中，開采效率低，開采后支護(hù)銜接不匹配；臨時支護(hù)需要人工輔助完成，工序勞動強(qiáng)度高；運(yùn)煤效率低，轉(zhuǎn)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(fù)雜。快掘系統(tǒng)針對傳統(tǒng)開采工藝弊端提出了以空間換時間的概念，通過掘、支、運(yùn)平行作業(yè)來實現(xiàn)掘進(jìn)工藝的平衡。快掘系統(tǒng)主要由掘錨一體機(jī)、錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)、連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。掘錨機(jī)可實現(xiàn)截割和支護(hù)共同作業(yè)、平行作業(yè)。轉(zhuǎn)載破碎機(jī)可將截割較大煤礦進(jìn)行分解、運(yùn)輸，釋放了掘錨機(jī)工作潛能。連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)可提升運(yùn)煤效率。快掘系統(tǒng)施工循環(huán)共分為7步，依次是截割、降臨時支護(hù)、收穩(wěn)定靴、推進(jìn)、鋪網(wǎng)、開啟升臨時支護(hù)和穩(wěn)定靴、聯(lián)網(wǎng)、永久支護(hù)，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)掘進(jìn)中運(yùn)輸和錨護(hù)不匹配制約礦井成巷效率的問題。

圖1 快掘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1　掘錨一體機(jī)

掘錨一體機(jī)是煤礦行業(yè)中一種用來進(jìn)行井下巷道掘進(jìn)和支護(hù)的機(jī)械設(shè)備，如圖2所示。它能夠完成邊掘進(jìn)邊支護(hù)的一體化工作，屬于集成裝備。構(gòu)成掘錨一體機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括龍門機(jī)架、鉆臂系統(tǒng)、延伸機(jī)構(gòu)、TRS臨時支撐系統(tǒng)及液壓傳動系統(tǒng)。

掘錨一體機(jī)能夠有效解決因為錨桿支護(hù)所導(dǎo)致的掘進(jìn)速度下降問題，該設(shè)備是掘進(jìn)機(jī)和錨桿機(jī)的有機(jī)結(jié)合，能夠完成兩種設(shè)備的一體操作，實現(xiàn)共同作業(yè)目標(biāo)，提高了工作效率。掘錨機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)是掘錨一體化技術(shù)，這項技術(shù)能夠使掘進(jìn)和錨護(hù)一起作業(yè)。掘錨一體機(jī)操作方便簡單，作業(yè)能力強(qiáng)，設(shè)備在提高煤礦作業(yè)效率的同時，還可以防止煤礦工作人員在作業(yè)時因過度勞累或其他原因?qū)е碌膯栴}。以掘錨一體化技術(shù)為基礎(chǔ)的掘錨一體機(jī)，能夠縮小空頂距離，保證空頂距離在規(guī)定范圍之內(nèi)。此外，掘錨一體機(jī)能夠在井下作業(yè)范圍內(nèi)安裝防塵通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2 掘錨一體機(jī)

1.2　錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎一體機(jī)

履帶式錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)如圖3所示，是快掘系統(tǒng)中的重要配套設(shè)備之一。它與掘錨一體機(jī)、皮帶輸送機(jī)和邁步式自機(jī)尾配套使用，可實現(xiàn)煤塊落、儲、碎和運(yùn)的機(jī)械化流水化作業(yè)。錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)的工作是將掘錨機(jī)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(yùn)輸給皮帶輸送機(jī)，一方面滿足了皮帶輸送機(jī)對煤塊尺寸的要求，另一方面該組合不僅降低了掘錨機(jī)因大塊物料導(dǎo)致故障停機(jī)的可能性，也提升了連續(xù)作業(yè)的自移機(jī)尾和皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。同時因其較低的接地比壓而增加了對底板的適應(yīng)性，也可承擔(dān)部分錨桿錨索的錨護(hù)任務(wù)。

圖3 履帶式錨護(hù)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)

1.3　連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)

連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)主要由皮帶輸送機(jī)和皮帶輸送機(jī)自移機(jī)尾組成，如圖4所示。其中皮帶輸送機(jī)自移機(jī)尾是一種左右交替循環(huán)邁步前進(jìn)的一種輔助運(yùn)輸設(shè)備，可與巷道內(nèi)主運(yùn)皮帶輸送機(jī)連接，從而實現(xiàn)連續(xù)快速地將物料運(yùn)輸出巷道。在連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中皮帶輸送機(jī)結(jié)合自移機(jī)尾動力單元，實現(xiàn)了工作面前端裝備移動時機(jī)尾通過液壓傳動抬升整個架體，再由推移液壓單元將左右軌道交替前移，隨后架體落下通過軌道前進(jìn)。在自移機(jī)尾末端增設(shè)伸縮機(jī)身裝置可使生產(chǎn)班在生產(chǎn)過程中，將自移機(jī)尾移設(shè)到預(yù)定位置后無需補(bǔ)充后邊空缺的H型剛性架，大幅縮短了人工輔助作業(yè)時間，減少了作業(yè)面人員數(shù)量，提高了安全生產(chǎn)指數(shù)，同時提升了掘進(jìn)效率。

圖4 皮帶輸送機(jī)用自移機(jī)尾

2　電氣傳動系統(tǒng)智能化改造方案

（1）快掘系統(tǒng)高度集成化設(shè)計。設(shè)備高度集成化是實現(xiàn)工作面減員、運(yùn)維一體化的關(guān)鍵。快掘系統(tǒng)操作人員在操作平臺即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化操作。將快掘系統(tǒng)中的掘錨機(jī)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)以及各個子設(shè)備整合化一，設(shè)備狀態(tài)依托傳感器實時感知，實時監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行情況；電氣傳動智能化改進(jìn)，操作指令高度統(tǒng)一，遠(yuǎn)程動作實時反饋，提升快掘系統(tǒng)運(yùn)行效率和人員工作安全指數(shù)。

（2）電氣傳動設(shè)備故障診斷。快掘系統(tǒng)由多個設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，任一設(shè)備發(fā)生故障停機(jī)，都會對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。例如，皮帶輸送機(jī)故障時不能將煤炭及時運(yùn)輸出去，堆煤嚴(yán)重時會逆向造成掘錨機(jī)故障。因此，利用傳感器技術(shù)與人工智能相結(jié)合，可實現(xiàn)快掘系統(tǒng)電氣傳動裝置在線檢測和故障預(yù)警、診斷。

（3）人員高危行為檢測。快掘系統(tǒng)的應(yīng)用，使得煤炭綜采面作業(yè)人員大幅減少，并且已基本實現(xiàn)了設(shè)備遠(yuǎn)程操作，進(jìn)一步減少了工作人員數(shù)量。但是人員減少并不能避免設(shè)備違規(guī)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(tǒng)。

（4）自適應(yīng)截割技術(shù)。現(xiàn)有快掘系統(tǒng)中的掘錨機(jī)電氣傳動機(jī)構(gòu)無法根據(jù)地質(zhì)三維模型和掘進(jìn)方案自動調(diào)整掘錨機(jī)行走方向及姿態(tài)，同時掘錨機(jī)刀頭電傳也未實現(xiàn)根據(jù)煤巖體硬度自適應(yīng)調(diào)節(jié)截割量和轉(zhuǎn)速參數(shù)。結(jié)合人工智能算法和傳感器感知技術(shù)可實現(xiàn)快掘系統(tǒng)自主決策，將人員從危險的掘進(jìn)工作面解放出來，實現(xiàn)“智能化”掘進(jìn)。

3　應(yīng)用實例

（1）寧夏煤業(yè)快掘系統(tǒng)智能化升級改造。一直以來，快掘系統(tǒng)智能化改造與國內(nèi)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)展實際和煤礦現(xiàn)狀確定并實施了“三步走”的快掘智能升級改造技術(shù)路線。近兩年寧夏煤業(yè)進(jìn)行設(shè)備功率升級，掘進(jìn)工作面向所有設(shè)備遠(yuǎn)程操控、集中控制等研究與應(yīng)用，向快掘系統(tǒng)高度集成化設(shè)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(tǒng)智能化難點，提高煤礦掘進(jìn)工效^[3]。

（2）龍華礦應(yīng)用智能快掘后配套系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電氣傳動設(shè)備在線監(jiān)控，智能化程度高，可適用于任何掘錨機(jī)，可適應(yīng)的巷道條件及投入成本僅為傳統(tǒng)破碎機(jī)、梭車和帶式轉(zhuǎn)載機(jī)配套總投入的0.5倍，且該系統(tǒng)應(yīng)用在龍華礦302盤區(qū)后，巷道平均月進(jìn)尺相比原來提升1.5倍^[4]。

（3）陜西陜煤黃陵二號煤礦以數(shù)字技術(shù)為煤礦生產(chǎn)科技賦能。通過將掘錨機(jī)電控系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)、環(huán)境地圖、傳感器感知相結(jié)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。通過數(shù)字孿生技術(shù)，采用路徑規(guī)劃、截割規(guī)劃、控制系統(tǒng)等相結(jié)合的多機(jī)自適應(yīng)協(xié)同控制平臺進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，可提高快掘系統(tǒng)電氣傳動智能化水平，逐漸實現(xiàn)綜采工作面少人、無人的目標(biāo)^[5]。

（4）陜西陜煤曹家灘煤礦智能隨動連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)自身需求與中煤科工集團(tuán)共同研制，實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面后配套運(yùn)輸系統(tǒng)智能延伸、連續(xù)作業(yè)，同時集智能集中供電、集中控制中心于一體，形成了掘、支、錨、運(yùn)平行作業(yè)的快掘系統(tǒng)，在滿足智能化掘進(jìn)工作面建設(shè)要求的基礎(chǔ)之上，在掘進(jìn)效率提升、減人增安等方面效果顯著[6]。

4　結(jié)語

在智能化發(fā)展背景下，快掘系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)開采工藝的諸多問題，并在企業(yè)降本增效、保障生產(chǎn)安全中發(fā)揮著重要作用。目前大多數(shù)企業(yè)已實現(xiàn)快掘系統(tǒng)高度集成化設(shè)計和應(yīng)用，但是快掘系統(tǒng)中各設(shè)備電氣傳動智能化程度仍然較低。結(jié)合當(dāng)前智能化改造方案，未來針對快掘系統(tǒng)電氣傳動部分，可以結(jié)合PHM技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵部件故障診斷與壽命預(yù)測。

作者簡介：

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

參考文獻(xiàn)：

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摘自《自動化博覽》2023年5月刊