煤礦智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

段志剛

（晉城金鼎天地煤機(jī)裝備有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

引言

近幾年，國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家發(fā)改委等政府機(jī)構(gòu)相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策方針：如“關(guān)于開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)的通知、“提升煤炭開發(fā)效率與智能化水平、重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化”等，規(guī)定到2025 年，需實(shí)現(xiàn)大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦的智能化建設(shè)，到2035 年，各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化[1]。山東、山西等各地方也相繼出臺(tái)了關(guān)于煤礦智能化建設(shè)的實(shí)施方案。采用當(dāng)前成熟的自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)開展智能化工作面的建設(shè)成為當(dāng)前重要的發(fā)展方向，其中，智能化掘進(jìn)系統(tǒng)則是整個(gè)智能化工作面的重要組成部分[2]。

1 智能化煤礦建設(shè)評(píng)價(jià)規(guī)范分析

依據(jù)“中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CCS 001—2020”中關(guān)于智能化煤礦建設(shè)條件的分類規(guī)定，將智能化建設(shè)條件I 類礦井（100～85）定義為良好，智能化建設(shè)條件II 類礦井（85～70）定義為中等，智能化建設(shè)條件III 類礦井（＜70）定義為復(fù)雜[3]。同時(shí)，基于礦井煤層賦存地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件與智能化建設(shè)基礎(chǔ)，確定高級(jí)智能化煤礦的智能化程度≥85%，中級(jí)智能化煤礦的智能化程度為75%～85%，初級(jí)智能化煤礦的智能化程度為60%～75%[4]。同時(shí)，在建設(shè)過(guò)程中，需對(duì)系統(tǒng)中巷道掘進(jìn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化作業(yè)、掘進(jìn)速度滿足礦井采掘接替要求、采用智能地質(zhì)探測(cè)技術(shù)與設(shè)備、掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式，對(duì)具備自主導(dǎo)航、坡度追蹤和自動(dòng)截割功能等方面進(jìn)行考核評(píng)價(jià)打分，具體詳盡相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以此最終得分來(lái)考核掘進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能。此考核評(píng)價(jià)指標(biāo)及要求將對(duì)智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的建設(shè)提供重要的指導(dǎo)依據(jù)。

2 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)配套總體方案

結(jié)合當(dāng)前的政策規(guī)定及煤礦智能化建設(shè)需求，開展了煤礦智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的智能化掘進(jìn)系統(tǒng)主要由雙錨掘進(jìn)機(jī)、智能探測(cè)設(shè)備、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾、兩臂錨索錨桿鉆車、除塵系統(tǒng)、順槽車、智能控制系統(tǒng)等組成，所有設(shè)備均采用智能化進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與控制。其中，雙錨掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)巷道掘進(jìn)、出料、前探及迎頭錨桿支護(hù)；智能探測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)掘進(jìn)巷道側(cè)幫和前方的地質(zhì)異常探測(cè)；帶式轉(zhuǎn)載機(jī)與邁步式自移機(jī)尾重合搭接，保障連續(xù)掘進(jìn)；自移機(jī)尾的機(jī)尾可自移，自動(dòng)延伸帶式轉(zhuǎn)載機(jī)；除塵系統(tǒng)則通過(guò)內(nèi)部的大功率除塵設(shè)備來(lái)控制及處理工作面中的粉塵；順槽車負(fù)責(zé)順槽巷道中物料、設(shè)備及人員的運(yùn)輸；智能控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)裝備進(jìn)行系統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控。所設(shè)計(jì)的掘進(jìn)系統(tǒng)能適應(yīng)于6 m 范圍內(nèi)的巷道寬度；適用于3.2～5.2 m的巷道高度，膠帶搭接行程達(dá)到了10 m，通過(guò)各部件的相互配合，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的全工序機(jī)械化，巷道工作面實(shí)際施工時(shí)也大大減少了皮帶輸送機(jī)拉移次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面快速推進(jìn)，在巷道內(nèi)操作也更加靈活，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，人員數(shù)量也相應(yīng)減少。整個(gè)智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的總體布局圖如圖1 所示。

圖1 巷道工作面中智能化掘進(jìn)系統(tǒng)總體布局圖

3 掘進(jìn)系統(tǒng)中關(guān)鍵配套裝備設(shè)計(jì)

3.1 EBZ220M 雙錨掘進(jìn)機(jī)匹配設(shè)計(jì)

掘進(jìn)系統(tǒng)中采用了EBZ220M 型雙錨掘進(jìn)機(jī)，整體采用可伸縮截割機(jī)構(gòu)，減小截割機(jī)器調(diào)動(dòng)，截割效率高，如圖2 所示。鉆機(jī)系統(tǒng)集成在機(jī)身兩側(cè)，操作臺(tái)置于機(jī)身上方，同時(shí)，錨桿鉆機(jī)采用電液遙控控制，適用多種形狀巷道全斷面錨桿、錨索支護(hù)，錨護(hù)效率高。該設(shè)備的截割部伸縮行程為500 mm，截割功率為220 kW，可截割硬度達(dá)≤80 MPa，履帶板寬度為800 mm，鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為315 N·m，鉆箱最大進(jìn)給長(zhǎng)度為1 820 mm。錨桿、錨索支護(hù)過(guò)程全部機(jī)械化作業(yè)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了打孔時(shí)工人淋水，減小了噪音，改善了工人作業(yè)環(huán)境。另外，增加了臨時(shí)支護(hù)裝置，提高了錨護(hù)作業(yè)安全性。

圖2 EBZ220M 型雙錨掘進(jìn)機(jī)

3.2 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)匹配設(shè)計(jì)

在此掘進(jìn)系統(tǒng)中采用了DZQ100/100/40 型礦用帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，與邁步自移機(jī)尾重合搭接，保障連續(xù)掘進(jìn)。與機(jī)尾部搭接行程長(zhǎng)，減少了拉移次數(shù)，具有移動(dòng)方便、皮帶防跑偏等功能。機(jī)身通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效避免大跨距時(shí)機(jī)身的下沉。整機(jī)利用電動(dòng)滾筒方式可使設(shè)備的裝機(jī)功率達(dá)到37kW，運(yùn)輸能力為1000 t/h，搭接行程為20 m，有效輸送長(zhǎng)度為33.4 m，輸送帶速度能達(dá)到3.15 m/s。

3.3 邁步自移機(jī)尾匹配設(shè)計(jì)

掘進(jìn)系統(tǒng)中選用了DWZY800/1200 型邁步自移機(jī)尾裝置，該裝置的裝機(jī)功率為55 kW，供電電壓為1 140 V，運(yùn)輸能力達(dá)到1 000 t/h，側(cè)移油缸行程為1 200 mm，最大能自移適應(yīng)8°的巷道坡度，設(shè)備如圖3 所示。此設(shè)備自帶動(dòng)力源，可自適應(yīng)巷道的起伏變化，無(wú)需退機(jī)拉移、打地錨，可實(shí)現(xiàn)機(jī)身自移；同時(shí)，無(wú)需反復(fù)撐頂即可實(shí)現(xiàn)整機(jī)的抬升、推移、調(diào)偏；可布置移變、電纜車、材料車等，減少輔助設(shè)備拖移工序；可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作。

圖3 DWZY800/1200 型邁步自移機(jī)尾裝置

4 掘進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在此類掘進(jìn)系統(tǒng)的控制功能中，掘進(jìn)設(shè)備需具備完善的傳感器、執(zhí)行器及控制器，能實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)或單設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、工況在線監(jiān)測(cè)、故障診斷功能；同時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)載機(jī)組具備過(guò)載保護(hù)功能，帶式輸送機(jī)機(jī)尾具備自移和張力自動(dòng)控制功能；也能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面環(huán)境（粉塵、瓦斯、水等）智能監(jiān)測(cè)功能，并具備監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)智能分析，以及掘、錨、運(yùn)、支工序的智能聯(lián)動(dòng)等。

針對(duì)這些功能要求，在整個(gè)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了工況監(jiān)控和故障診斷分系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)獲取工況參數(shù)，音視頻信息采集、存儲(chǔ)、抓取、回放早期微弱故障預(yù)診斷及遠(yuǎn)程運(yùn)維等。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的人員防入侵分系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人員之間相對(duì)位置；結(jié)合人員紅外防入侵技術(shù)實(shí)現(xiàn)未佩戴標(biāo)識(shí)卡人員進(jìn)入工作面時(shí)安全預(yù)警及保護(hù)停機(jī)功能。此系統(tǒng)的報(bào)警范圍最大100 m，設(shè)備聲光報(bào)警，標(biāo)識(shí)卡聲音報(bào)警+振動(dòng)報(bào)警；可對(duì)標(biāo)識(shí)卡分類管理，具有設(shè)置特殊權(quán)限的功能（例如：設(shè)置駕駛員在本機(jī)危險(xiǎn)區(qū)域免報(bào)警）。另外，自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)組合導(dǎo)航（慣導(dǎo)、全站儀）方式實(shí)現(xiàn)機(jī)身定位定向，并獲得巷道坐標(biāo)系下機(jī)身6 個(gè)自由度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，機(jī)身相對(duì)于巷道軸線的水平偏移量、高度差和在巷道軸線方向上的前進(jìn)距離，機(jī)身相對(duì)于巷道的橫滾角、俯仰角和偏航角，自主行走、自主截割。掘進(jìn)系統(tǒng)中自主導(dǎo)航系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 自主導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面圖

5 掘進(jìn)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

2020 年7 月—9 月，利用EBZ220M 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)（雙錨），錨桿按照：Ф22 mm×2 500 mm 和間排距900 mm、900 mm 布局；錨索按照Ф21.8 mm×6 200/9 200/11 200 mm 和間排距1 600 mm、1 600 mm布局，共完成錨桿支護(hù)10 081 根，錨索支護(hù)3 150根，進(jìn)尺1 008 m，9 月份月進(jìn)尺由原來(lái)的最高246 m提高到506 m，創(chuàng)劉莊煤礦單月單面最好成績(jī)，如下頁(yè)圖5 所示。同時(shí)，系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)能將整個(gè)工作面中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各類數(shù)據(jù)參數(shù)在智能化監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如下頁(yè)圖6 所示，所實(shí)現(xiàn)的功能包括：掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控與故障診斷、井下集中遠(yuǎn)程控制、地面調(diào)度室遠(yuǎn)程可視控制、自動(dòng)截割、自主行走、一鍵啟停、三維動(dòng)態(tài)顯示、多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)等，整體智能化程度相對(duì)較高，運(yùn)行較為穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了相應(yīng)智能化系統(tǒng)建設(shè)的考核要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 傳統(tǒng)工藝與新工藝下順槽進(jìn)尺效果對(duì)比圖

圖6 智能掘進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控中心

6 結(jié)語(yǔ)

智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的建設(shè)是提高煤礦產(chǎn)量、減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全性的重要發(fā)展方向，為此重點(diǎn)分析了當(dāng)前相關(guān)政策規(guī)定及智能化建設(shè)的評(píng)價(jià)方法，開展了基于多款智能化煤礦生產(chǎn)設(shè)備的智能化掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)，并重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中的EBZ220M 雙錨掘進(jìn)機(jī)、邁步自移機(jī)尾、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，通過(guò)將此掘進(jìn)系統(tǒng)在工程中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，得出：該智能化掘進(jìn)系統(tǒng)提高了錨桿的作業(yè)效率，能更加智能化地實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面中各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制，整體智能化程度相對(duì)較高，運(yùn)行較為穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了相應(yīng)智能化系統(tǒng)建設(shè)的考核要求。此研究對(duì)提高工作面中煤礦開采效率及智能化水平具有重要支撐作用。