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★ 智慧矿山 ★

煤矿巷道智能掘进装备的关键技术问题探讨

丁振华1 吴家梁1 姜德义2 史成建1 刘兴利1 苏云辉1 杜俊生2

(1.无锡华瀚能源装备科技有限公司,江苏省无锡市,214000; 2. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室,重庆市沙坪坝区,400044)

摘 要 我国煤矿综采技术装备与矿井配套设施的快速发展加剧了采掘失衡的矛盾,发展煤矿快速掘进装备是解决掘进速度慢、提高掘进智能化水平和保障生产安全高效的先决条件。笔者根据现有的掘进装备情况指出,发展快速掘进智能装备需要解决掘进装备的可靠性和掘锚护一体化装备高效性这2个关键技术问题。笔者认为,通过采用先进的设计理念及方法,研发新技术和加强制造工艺过程的质量控制等可以解决掘进装备可靠性问题,以满足并提高掘进工作的正常使用要求。此外,笔者认为,掘锚护一体化装备的高效性可从快速定位找眼技术、新施工工艺与安全支护标准以及掘锚装备与锚护材料的协同性与匹配性这3个方面进行提高,从而解决掘进速度慢、安全生产系数低等问题。最后笔者指出,提高煤矿巷道掘进智能化程度不仅需要发展快速掘进智能装备,而且要引入人工智能技术,才能真正实现巷道的智能化掘进。

关键词 巷道掘进 掘锚一体化 智能化掘进 快速掘进

为了提高煤矿开采效率、解决采掘比例失调问题及减少生产安全灾害,发展巷道智能化快速掘进技术是主要攻关研发的方向之一[1-5]。实现智能化掘进的主要途径是研发智能化掘进装备。

目前,在神东煤炭集团大柳塔煤矿应用的快速掘进系统实现了快速掘锚护等工作[6-8],但是智能化程度总体不高,仍存在单机掘进装备可靠性及掘进效率等实际问题[9]。因此,笔者从掘进装备技术出发,分析掘进过程中的关键性技术问题,为实现快速、高效、安全的巷道智能化掘进提供参考。

1 智能掘进装备的可靠性

掘进装备主要负责切割煤岩,目前的煤矿巷道掘进装备主要为悬臂式掘进机[10-11]。由于掘进装备一般处于环境比较恶劣的工作条件下,且掘进装备系统复杂,因此掘进装备的工作可靠性是目前制造的难点,已成为装备生产的关键核心问题之一。

随着综采装备技术的提升,采掘接替问题日益突出,提高掘进装备的智能化程度愈显紧迫[12-15]。传统的“钻爆法”或“锚杆-钢套-注浆”等综合机械化开挖方法已不能满足煤矿井下巷道的掘进和支护需求。为了减少快速掘进过程中产生的各种安全灾害,发展巷道智能化快速掘进是一个非常有效的方法[16-18]。在掘进装备快速掘进技术方面,国内外已经进行了较多的装备智能化研究。国外的久益、山特维克等公司进行了掘进机和锚杆钻机的自动化研发,德国、澳大利亚、美国等国家也开展了相关的自动监测识别技术研究。2003年,国内引进了第一台具有掘进技术核心装备的掘锚机后,上海天地、山西天地等公司开展了国产掘、锚方面相关装备的研发工作,虽然取得了较好的成果,但是快速掘进装备智能化程度仍然不高。

相对普通掘进装备而言,智能化掘进装备及其系统极为复杂。以液压系统为例,现有的普通掘进装备的阀胶管接头总数为150~160个,油缸总数为8~10个;掘锚一体机的阀胶管接头总数为300~350个,油缸总数为22~30个。电控的复杂程度更是高出一个数量级,因此,没有产品的可靠性作为保障,巷道智能掘进的高效性、减人(或无人)性将大打折扣。提高产品可靠性首要解决的问题是产品的广普(通用)性。由于煤矿巷道地质情况复杂,巷道在智能化生产中最基础的装备-掘锚一体机一直没有广谱成熟可行的方案。目前,装备可靠性可以满足要求且技术比较成熟的掘锚一体机均是国外公司产品,主要是山特维克公司生产的MB670系列和久益生产的12CM系列,但由于其体型庞大、价格昂贵且对地质条件要求严苛,仅适用于我国个别煤炭产区如鄂尔多斯盆地(鄂尔多斯与榆林地区)的煤矿巷道生产,其他绝大多数地区煤炭生产企业还没有可靠性足够高、功能又能满足使用要求的智能化掘进装备。MB670-1型掘锚机实物图如图1所示,12CM30型掘锚机实物图如图2所示。

图1 MB670-1型掘锚机实物图

图2 12CM30型掘锚机实物图

由于井下工作环境恶劣,现有的诸多掘进装备机型的平均大修周期均小于2.5 a。由于掘进装备的截割部直接进行切割煤岩体容易受到损坏,因此,最典型的维修装备就是掘进机的核心部件—掘进头。大修周期内面临高成本的更换,尤其是硬岩巷道,更换次数和频率可能会更加频繁。

为了适用于我国大部分煤矿巷道地质条件,智能化掘进装备首先要制造出具有高可靠性、有一定广谱性功能且能满足复杂地质条件巷道施工的掘锚一体机,而基础则是生产出能够作为掘锚一体机载体的高可靠性掘进机,并且运用高可靠性掘进机的技术体系制造出整个掘锚一体机系统。基于现有的掘进机,国内企业一直在研发具有较广泛适用性的掘锚一体机,同时努力克服截割控制技术的缺点,实现以自动截割控制技术、自动定位和导向技术以及智能识别和感应技术等先进技术优化掘进机装备,以提高装备的可靠性[19-20]。国产掘锚一体机实物图如图3所示。

图3 国产掘锚一体机实物图

通过对大量掘进机的故障分析和统计结果,目前掘进机普遍存在可靠性差、大修周期短等问题,主要体现在以下7大类问题:一是大结构长时间工作引起的疲劳失效、二是机械装备、煤岩体之间的磨损失效、三是装备使用及时间年限所引起的老化而导致的失效、四是腐蚀氧化失效、五是大部件各连接部分失效、六是机械装备传动系统失效、七是液压系统失效。

针对上述问题,可以通过3个方面的措施进行改进:一是采用先进设计理念及方法优化并完善现有系统设计,消除由于设计缺陷导致的短板;二是研发新技术成果的应用,从根本上提高关键系统的寿命,比如液压全面采用闭式系统,极大地提升系统寿命;三是加强制造工艺过程的质量控制,彻底消除制造缺陷。通过以上3个方面的措施,搭建一个可靠性大幅度提高的基础平台,可以有效提高掘进机(含掘锚一体机等)大修周期,降低故障发生率,为智能掘进机发展奠定坚实可靠的基础 [21-23]

2 掘锚护一体化装备的高效性

煤矿巷道掘进智能化发展趋势是“掘、护、运、辅”多工序智能控制与协同作业。其中支(锚)护阶段由于工序多样以及环节繁杂(如钻孔、装药、垫网、铺带、固定、立架、喷射混凝土等),是影响煤矿巷道掘进最关键的环节。在煤矿岩巷掘进方面,目前常采用的是锚索(杆)网联合支护。针对支护工序提高其适用性,加强其标准化,从而可以为锚护环节的统一化、高效化奠定基础。掘锚护相关装备的高效性可以从以下几个方面得到解决。

2.1 快速定位找眼技术

掘锚一体机末端微动精准控制技术最长可以在8 s内完成钢带找眼工作,使临时支护时间由原来的人工模式20 min缩短到10 min内,效率提高了50%。综合计算,掘锚护施工的综合效率比人工模式提高了30%以上,大大提升了施工功效,实现了掘锚一体机快速掘进的目的。快速定位找眼技术是智能化掘进关键技术中重要的一部分。

2.2 提高掘锚装备与锚护材料的协同性与匹配性

掘锚一体化施工可以压缩锚护时间,提高巷道的掘进效率,是煤矿快速掘进施工发展的必然方向[24]。然而仅对掘锚一体机自身进行研究还远远不够,必须把掘锚装备与钻杆、锚杆(索)、锚网以及锚固(安全、技术)标准等统一到整个系统。

在进行掘进施工时,掘进方式应根据煤岩体的性质适当变化。例如,对煤岩体的类型进行区分,并分别设计适宜的掘进方法[25]。对于软煤而言,对掘进效率要求相对较低,掘进装备的系统可以简单化,可选择小型多样性的截割臂,可使用移动式的支护钻架或者小型智能机器人,其掘进速度更容易提高。对于硬煤而言,还需要掘锚一体机,但是除了对装备本身进行优化外,可以在掘进机平台上通过已有的装置设计或增加超前支护、临时支护等来进行优化,提高安全性。

2.3 新施工工艺与安全标准的研究

在实际煤炭生产中,综掘自动化水平落后于综采,装备落后于实际需求,装备匹配性研究落后于施工工艺与安全标准。虽然目前装备已经得到了较大的发展,然而在相配套的施工工艺及工法上面仍在沿用传统工艺,未充分考虑装备发展之后新的施工工艺及规程,未能满足新装备采用之后对施工工艺的新要求,导致施工效率低下,无法满足装备使用的预期目标。因此,在采用新装备的同时,研究人员也应对新工艺和新工法展开分析,也可以跳出现有的行业限制,参考公路、铁路及地铁隧道施工工艺及安全要求。相比于煤矿巷道,公路、铁路及地铁隧道因其使用要求的限制,其可靠性及安全性要求更高。在公路、铁路及地铁的隧道施工中,锚固往往不是一次锚固成形,而是初次支护之后待地质应力释放一部分之后再进行二次支护,这种方法可以使锚固装置所承受的压力大大减少,极大地提高了其使用寿命及安全性。煤矿巷道掘进施工可以多多借鉴参考行业外的一些成功经验及理论,促进新装备的推广应用,加快实现煤矿快速智能掘进的目标。

2.4 支护新工艺方面的革新

煤矿巷道作业空间狭小,在智能化掘进过程中,如果完全模拟人工作业的支护过程,则装备的复杂程度将会超出可以接受的程度。因此,解决锚护自动化的关键必须简化锚护装备与流程:一是研究高精度自动找眼定位系统,可以自动找准孔眼位置;二是研究钻杆与锚杆一体化技术,即采用一次性简易钻杆代替过去复杂的往复交替才能完成的工作;三是研究钻(锚)杆空心化,便于通过中间空心填装膨胀药物;四是研究新型的两相甚至三相液体混合膨胀剂,通过压力注入钻(锚)杆后,产生化学反应膨胀成形;五是研究柔性高强度连续安全网技术,将目前复杂的铺网送网等一系列复杂动作简化成一个相对简单的铺网送网过程。

3 煤矿巷道智能化掘进实现途径

煤矿巷道智能掘锚一体化的基础工作就是提高装备、相关的锚护材料(钻杆、锚杆、防护网)、工艺等的可靠性、匹配性与协同性。在此基础上,才能实现煤矿巷道掘进的安全、省力、少人和高效。因此,要提高掘进智能化程度,需要结合新的施工工艺方法、利用改进的掘进一体化智能先进装备、配置高标准的制造工艺流程、行业安全标准及拥有可靠性设计理论等各方面的协同配合来完成。同时进一步引入AI人工智能技术,才能真正实现煤矿巷道的智能化掘进。煤矿巷道智能化掘进的最低标准是:综掘作业面完全无人化或只有完工后的检查人员;掘进装备完全可以无人操作或者远程遥控掘进,这就包括开挖、运输、锚护等一系列的作业的无人化。

煤矿巷道掘进的无人化最大难度在于施工空间狭小,如果掘、运、锚、护等一体化的一系列作业全部都要无人化或者远程操作完成,不仅要有良好的视觉系统(可以透过迎头(工作面)产生的大量粉尘看清工作面的状态),更要有一个复杂的机械系统来完成一系列的锚护操作。相对而言,掘进推进工作本身要实现自动化或者智能化比较容易,但在煤矿巷道生成中,掘进工作仅仅是整个掘进工序40%的工作量,其他锚护、清底等工序通过智能化模式完成要复杂很多。此外,掘进装备的定期检查以及系统各个部件的不同故障排除及诊断,通过智能化实现也比较复杂。

煤矿巷道快速智能掘进不仅仅是对系统自动截割成形、自适应控制、定位及定向掘进、可视化远程遥控及诊断等关键技术的研究,也要对可靠性设计理论、传动优化设计、施工和支护新工艺等各个方面进行分析。此外,应广泛借鉴其他相关行业的一些操作方法和规程,并引入人工智能技术,进行智能判断、切割和识别,真正实现安全高效的智能化巷道掘进。

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Discussion on key technical issues of intelligent roadway heading equipment of coal mine

Ding Zhenhua1, Wu Jialiang1, Jiang Deyi2, Shi Chengjian1, Liu Xingli1, Su Yunhui1, Du Junsheng2

(1. Wuxi Huahan Energy Equipment Technology Co., Ltd., Wuxi, Jiangsu 214000, China;2. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Shapingba, Chongqing 400044, China)

Abstract The rapid development of fully mechanized mining equipment and mine supporting facilities in China has aggravated the unbalance of mining and heading, the development of rapid heading equipment of coal mine is the prerequisite to solve the problem of slow heading, improve the intelligent heading level and guarantee the safety and efficiency of production. According to the current situation of heading equipment, reliability of heading equipment and efficiency of integrated equipment of heading, anchoring and supporting should be solved for the development of intelligent rapid heading equipment.By adopting advanced design concept and method, the research and development of new technology and the quality control strengthening of manufacturing process were conducted to solve the reliability problem of heading equipment and meet and improve the normal operation requirements of roadway heading work. In addition, the efficiency of integrated equipment of heading, anchoring and supporting could be improved based on three aspects from rapid positioning and hole finding technology, new construction technology and safety support standards, and the coordination and matching of heading and anchoring equipment and anchoring and supporting materials, so as to solve the problems of slow heading and low safety production coefficient. In order to improve the intelligent heading degree and finally realize intelligent heading of coal mine roadway, the development of intelligent rapid heading equipment and the introduction of artificial intelligent technology were needed.

Key words roadway heading, integration of heading and anchoring, intelligent heading, rapid heading

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引用格式:丁振华,吴家梁,姜德义,等. 煤矿巷道智能掘进装备的关键技术问题探讨[J].中国煤炭,2020,45(11):58-62.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.008

Ding Zhenhua, Wu Jialiang, Jiang Deyi, et al. Discussion on key technical issues of intelligent roadway heading equipment of coal mine[J].China Coal,2020,46(11):58-62.doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2020.11.008

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804202),国家科技重大专项课题资助项目(2016ZX05045001-005)

中图分类号 TD67

文献标识码 A

作者简介:丁振华(1982-),男,湖南长沙人,工程师,本科学历,现任职于江苏华瀚恒盛能源装备科技有限公司,主要从事智能掘进机设备研发及管理工作。E-mail:453431185@qq.com。

(责任编辑 路 强)