張家峁煤礦智能快速掘進(jìn)工藝優(yōu)化及應(yīng)用研究

王學(xué)強(qiáng)，李 軍

(1.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316)

采煤和掘進(jìn)是煤礦井工開采的兩大主要工序。隨著煤炭開采強(qiáng)度與規(guī)模日益增大，年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加[1-3]。神南礦區(qū)張家峁煤礦全礦井的巷道掘進(jìn)長度達(dá)3萬余米，為了滿足礦井通風(fēng)、運(yùn)輸以及大型設(shè)備的安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)，采掘巷道逐漸向大斷面、深部化發(fā)展，客觀上增大了巷道礦壓顯現(xiàn)程度，制約著巷道掘進(jìn)速度[4]。由此引發(fā)出采掘比例失調(diào)，綜掘落后與綜采進(jìn)度的問題，已經(jīng)成為制約煤礦高效安全智能化發(fā)展的技術(shù)瓶頸[5，6]。此外，后配套系統(tǒng)效率較低、設(shè)備未實(shí)現(xiàn)成套、主要設(shè)備的智能化程度還不高[7-9]。

我國很多學(xué)者對(duì)巷道快速掘進(jìn)理論和裝備展開了大量研究，白偉[10]分析了巖巷掘進(jìn)的主要影響因素，優(yōu)化了爆破參數(shù)和支護(hù)參數(shù)，研制了一套適用于該地質(zhì)條件下的巖巷快速掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)裝備。董慶[11]研究了特厚煤層中大斷面回采巷道的支護(hù)技術(shù)，使用了MB670掘錨一體機(jī)代替懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。賈明[12]通過對(duì)掘錨一體機(jī)種類進(jìn)行分析，明確懸臂式掘錨一體機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的優(yōu)勢，并對(duì)懸臂式掘錨一體機(jī)的適應(yīng)性改進(jìn)措施進(jìn)行闡述。趙改革[13]以先進(jìn)掘錨一體化快速掘進(jìn)設(shè)備為核心，通過對(duì)巷道快速掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究，科學(xué)設(shè)計(jì)適合復(fù)雜地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)掘錨一體化系統(tǒng)長度。卓軍[14]通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析等方法系統(tǒng)揭示弱黏結(jié)復(fù)合頂板巷道掘進(jìn)工作面圍巖破壞機(jī)理，研發(fā)了掘進(jìn)工作面快速掘進(jìn)強(qiáng)力掩護(hù)裝備。掘錨一體機(jī)是集掘進(jìn)、支護(hù)為一體，高度集成化的巷道快速掘進(jìn)設(shè)備，有創(chuàng)造良好工作條件、更高安全性、降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢，能滿足礦井合理的生產(chǎn)布局、穩(wěn)定的采掘接續(xù)[15，16]，確保工程速度和質(zhì)量。提高煤巷掘進(jìn)效率，是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效根本途徑之一，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向[17-20]。基于張家峁煤礦的掘進(jìn)工作面的設(shè)備及工藝優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，建立了一套智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)。采用具有感知能力、記憶能力、學(xué)習(xí)能力和決策能力的掘錨機(jī)、錨桿機(jī)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等煤巷智能化掘進(jìn)裝備，以自動(dòng)化控制系統(tǒng)為樞紐，以遠(yuǎn)程可視監(jiān)控為手段，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面巷道掘進(jìn)系統(tǒng)“全斷面快速掘進(jìn)、掘支運(yùn)平行作業(yè)”的智能、安全、協(xié)調(diào)高效的掘進(jìn)技術(shù)。智能快速掘進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸“三位一體”的快速掘進(jìn)新類型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集中協(xié)同控制，為張家峁煤礦掘進(jìn)工作面無人化奠定基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)工作面概況及快速掘進(jìn)設(shè)備構(gòu)成

1.1 掘進(jìn)工作面概況

張家峁煤礦15212工作面快速掘進(jìn)系統(tǒng)是張家峁礦業(yè)公司“智慧煤礦系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)與示范礦井建設(shè)”項(xiàng)目的重要組成部分。15212工作面開采的5-2煤賦存穩(wěn)定，埋藏深度為89～229m。煤層向西北傾斜，煤層傾角為0.9°左右，煤層的兩極厚度為5.8～6.35m，平均厚度為6.03m?；爻吠ǖ栏浇簩咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，其它區(qū)域煤層結(jié)構(gòu)簡單?；爻吠ǖ栏浇簩雍粚訆A矸，巖性為泥巖，厚0.1m，夾矸底界面距離煤層底板0.7m。

15212工作面兩巷掘進(jìn)斷面5.6m×4.3m。15212輔運(yùn)巷頂、幫均為錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂部錨桿間排距為1600mm×1000mm，每排4根錨桿；幫部為錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距1500mm×1000mm，每排4根錨桿，每幫2根錨桿。15212運(yùn)輸巷及排矸聯(lián)絡(luò)巷頂板為錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，幫部為錨桿支護(hù)，頂板錨桿間排距為1600mm×1000mm，每排4根錨桿。非開采幫錨桿間排距1500mm×1000mm，開采幫錨桿間排距1000mm×1000mm，每排4根錨桿，每幫2根錨桿。

1.2 掘進(jìn)工作面主要設(shè)備

15212工作面快速掘進(jìn)系統(tǒng)于2020年4月份正式投入使用，截止現(xiàn)在，該套快速掘進(jìn)系統(tǒng)已順利完成約10000m的進(jìn)尺任務(wù)，目前正在施工5-2煤南部輔運(yùn)巷。該套快掘系統(tǒng)采用了“掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)(兩部)+變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)(2×200kW電機(jī))”快速掘進(jìn)方案。掘錨一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)(可同時(shí)支護(hù)4根頂錨)確保最大空頂距不超過3m，幫錨支護(hù)采用錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)支護(hù)，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)有效行程100m，避免了生產(chǎn)過程中延伸帶式輸送機(jī)工序，保證了成套裝備的連續(xù)工作時(shí)間，設(shè)計(jì)單日掘進(jìn)進(jìn)尺能力100m，單月快速掘進(jìn)進(jìn)尺的最大能力3100m/月?？炀蚬ぷ髅娴闹饕O(shè)備及技術(shù)參數(shù)如下。

1)MB670-1掘錨一體機(jī)。MB670-1是當(dāng)前掘錨一體機(jī)的最新機(jī)型，錨桿機(jī)是掘錨機(jī)的重要組成部分，整合了同步截割和支護(hù)技術(shù)，掘錨機(jī)配裝四臺(tái)頂板錨桿機(jī)和兩臺(tái)側(cè)幫錨桿機(jī)。所有頂板錨桿機(jī)和側(cè)幫錨桿機(jī)都布置在靠近截割滾筒后面，使得掘錨機(jī)能夠同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和錨護(hù)作業(yè)。

2)錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組。錨運(yùn)一體機(jī)與橋式轉(zhuǎn)載輸送機(jī)一起組成掘錨機(jī)的后配套系統(tǒng)，形成快速掘進(jìn)成套裝備，實(shí)現(xiàn)了連掘連運(yùn)、掘錨平行。MZHB5-1000/30P錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組，該機(jī)設(shè)有5m3料斗，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)可獨(dú)立前移一個(gè)步距，設(shè)置3臺(tái)頂錨桿錨索鉆機(jī)，2臺(tái)幫錨桿鉆機(jī)適應(yīng)不同巷道高度的支護(hù)作業(yè)，頂錨桿鉆機(jī)與幫錨桿鉆機(jī)間距2400mm，可以微調(diào)。

3)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)。轉(zhuǎn)載系統(tǒng)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)與錨運(yùn)破一體機(jī)剛性連接，配套煤礦用錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組使用，形成快速掘進(jìn)系統(tǒng)，完成原煤轉(zhuǎn)運(yùn)。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)滿足最大輸送能力1000t/h以上，一部橋式轉(zhuǎn)載機(jī)由45kW變頻同步電滾筒驅(qū)動(dòng)，二部橋式轉(zhuǎn)載機(jī)由45kW電滾筒驅(qū)動(dòng)，過渡帶式輸送機(jī)機(jī)頭部與剛性機(jī)尾搭接、尾部與橋式轉(zhuǎn)載機(jī)頭部搭接，后部由3架過渡架與2×200kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作面巷道帶式輸送機(jī)相連接，過渡帶式輸送機(jī)機(jī)尾部設(shè)置牽引絞車，絞車固定繩端設(shè)置在錨運(yùn)破尾部。剛性機(jī)尾設(shè)置牽引絞車，絞車固定繩端設(shè)置在過渡帶式輸送機(jī)機(jī)滑靴架處。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)有效拉伸長度100m，可滿足最大3100m/月的進(jìn)尺要求。

2 張家峁煤礦快速掘進(jìn)設(shè)備優(yōu)化歷程

2.1 第一階段：學(xué)習(xí)探索階段

1)配套原則：該階段快掘系統(tǒng)采用了“掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+伸縮型帶式輸送機(jī)+變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)(2×200kW電機(jī))”快速掘進(jìn)方案。

2)設(shè)計(jì)理念。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、伸縮型帶式輸送機(jī)與錨運(yùn)破配套，可伸縮有效長度60m，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)有效長度15m，保證轉(zhuǎn)載及運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，減少可伸縮帶式輸送機(jī)接入機(jī)身標(biāo)準(zhǔn)段的次數(shù)，滿足最大900m/月的進(jìn)尺要求。

3)工藝存在的問題。①配套橋式轉(zhuǎn)載機(jī)30m，有效行程9～15m，在生產(chǎn)過程中存在每班延伸機(jī)尾的工序，增加了生產(chǎn)輔助時(shí)間，對(duì)掘進(jìn)單進(jìn)水平影響巨大，同時(shí)增加了生產(chǎn)班班組人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，不能發(fā)揮快掘設(shè)備工藝的優(yōu)越性；②錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)與橋式帶式輸送機(jī)搭接處離地太近，無法正常生產(chǎn)；③橋式帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)設(shè)計(jì)長度不夠，與后部伸縮機(jī)尾相對(duì)滑移距離過短，達(dá)不到快速掘進(jìn)設(shè)計(jì)的要求，降低了掘進(jìn)速度；④橋式帶式輸送機(jī)和伸縮機(jī)尾未設(shè)計(jì)電纜拖拽功能，生產(chǎn)期間需派專人拉電纜；⑤橋式帶式輸送機(jī)機(jī)身弧度太平緩整體離地近，無法滿足有起伏的巷道使用；⑥橋式帶式輸送機(jī)和伸縮機(jī)尾整體機(jī)架太薄、機(jī)架強(qiáng)度不夠，無法滿足正常生產(chǎn)需要，伸縮膠帶機(jī)尾軌道架滑靴太薄，試?yán)^程中有部分變形；⑦伸縮膠帶機(jī)尾張緊絞車設(shè)計(jì)不合理，張拉過程中絞車和滾筒銷軸連接處折疊、起跳，張拉過程不穩(wěn)定；⑧伸縮機(jī)尾底部兩端滑動(dòng)輪不一致，一端間距大，收縮過程中出現(xiàn)咬架現(xiàn)象和阻塞現(xiàn)象，需要人工矯正，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拉架；⑨工作面材料架擺放至行人側(cè)(距工作面300m范圍內(nèi))，平均每4天需人工搬遷一次，材料點(diǎn)搬遷頻繁，無形中加大了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施的難度。

2.2 第二階段：設(shè)備升級(jí)階段

為解決第一階段暴露出來的問題，提升快掘系統(tǒng)的單進(jìn)水平，充分考慮現(xiàn)場實(shí)際情況及設(shè)備參數(shù)性能，對(duì)第一階段的快掘系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，制作加工了一套橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、軌道架及電纜拖拽裝置，并將材料場集成在運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾處，具體如下：

1)配套原則。該階段快掘系統(tǒng)采用了“掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)(2×200kW電機(jī))”快速掘進(jìn)方案。

2)設(shè)計(jì)理念。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)滿足最大輸送能力1000t/h以上，由45kW變頻同步電滾筒驅(qū)動(dòng)，該設(shè)備前端與錨運(yùn)破一體機(jī)鉸接，后部由3架過渡架與2×200kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作面巷道帶式輸送機(jī)相連接。橋式轉(zhuǎn)載機(jī)設(shè)計(jì)輸送長度63m，有效延伸長度50m。

橋式轉(zhuǎn)載機(jī)行人側(cè)安設(shè)電纜拖拽裝置，將掘錨機(jī)及錨運(yùn)破電纜、水管、信號(hào)線等封閉在拖纜夾內(nèi)，同時(shí)在掘進(jìn)機(jī)帶式輸送機(jī)機(jī)尾跑道架上加工拖纜槽進(jìn)行固定，末端固定在電纜框附近，另一端連接在橋式轉(zhuǎn)載機(jī)處，采用橋式轉(zhuǎn)載機(jī)拖動(dòng)拖纜夾在拖纜槽內(nèi)來回折疊移動(dòng)。

3)存在問題。由于橋式轉(zhuǎn)載機(jī)有效行程為50m，在掘進(jìn)過程中，每掘進(jìn)50m，即需前移橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，而生產(chǎn)班平均單班進(jìn)尺不低于45m，在生產(chǎn)期間需增加移橋式轉(zhuǎn)載機(jī)及運(yùn)輸機(jī)中部膠帶架的工序，影響生產(chǎn)班的有效生產(chǎn)時(shí)間，無法保障生產(chǎn)班的開機(jī)率，限制了快掘系統(tǒng)的有效能力及潛在生產(chǎn)能力。

2.3 第三階段：優(yōu)化應(yīng)用階段

為解決第二階段暴露出來的問題，進(jìn)一步挖掘快掘系統(tǒng)的潛在能力，提高單進(jìn)水平，創(chuàng)新性提出兩部橋式轉(zhuǎn)載機(jī)聯(lián)合使用的技術(shù)方案，具體如下：

1)配套原則。該階段快掘系統(tǒng)采用了“掘錨一體機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)(共兩部)+變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)(2×200kW電機(jī))”快速掘進(jìn)方案。

2)設(shè)計(jì)理念。為了高效保障橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的開機(jī)率，在原有系統(tǒng)中進(jìn)行了升級(jí)，新型的轉(zhuǎn)載系統(tǒng)包括45kW變頻同步電滾筒驅(qū)動(dòng)橋和45kW電滾筒驅(qū)動(dòng)橋式兩部轉(zhuǎn)載機(jī)。其中，過渡帶式輸送機(jī)的頭部與剛性機(jī)尾搭接、尾部與橋式轉(zhuǎn)載機(jī)頭部搭接，后部由3架過渡架與2×200kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作面巷道帶式輸送機(jī)相連接；過渡帶式輸送機(jī)的尾部設(shè)置牽引絞車，絞車固定繩端設(shè)置在錨運(yùn)破尾部。剛性機(jī)尾設(shè)置牽引絞車，絞車固定繩端設(shè)置在過渡帶式輸送機(jī)滑靴架處。

新型的橋式轉(zhuǎn)載機(jī)有效拉伸長度100m，最大可滿足3100m/月進(jìn)尺要求。

3)配套設(shè)備優(yōu)點(diǎn)。掘進(jìn)生產(chǎn)中，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)每掘進(jìn)100m，需在檢修期間增加一次膠帶配件，生產(chǎn)期間無需增加膠帶件，優(yōu)化了生產(chǎn)工序，增加了掘進(jìn)時(shí)間，提升了單進(jìn)水平。系統(tǒng)主要包括橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、過渡帶式輸送機(jī)、剛性機(jī)尾三部分。滿足最大輸送能力1000t/h以上，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)及過渡帶式輸送機(jī)各采用45kW永磁同步電滾筒驅(qū)動(dòng)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 長距離轉(zhuǎn)載系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

4)DSJ100/100/2×200帶式輸送機(jī)。15212運(yùn)輸?shù)篱_口處安設(shè)型號(hào)為DSJ100 /100/2×200帶式輸送機(jī)1部，參數(shù)見表2。

表2 DSJ100/100/2×200型帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 掘進(jìn)工作面智能化監(jiān)控系統(tǒng)的建立

3.1 現(xiàn)場已實(shí)現(xiàn)的功能

掘進(jìn)工作面智能化監(jiān)控系統(tǒng)以提高掘進(jìn)工作面安全性、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高掘進(jìn)施工效率和施工質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，利用智能傳感技術(shù)、定位定向技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)和多信息遠(yuǎn)程重現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可人工干預(yù)的遠(yuǎn)程操作掘錨一體機(jī)。主要解決掘錨一體機(jī)整機(jī)工況參數(shù)監(jiān)測、工作面視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、掘錨一體機(jī)關(guān)鍵部位位置自主檢測、人員安全預(yù)警、機(jī)身自主定位導(dǎo)航、遠(yuǎn)程可視化控制等技術(shù)問題，從而將掘進(jìn)工作面環(huán)境、設(shè)備和人員有機(jī)和諧地統(tǒng)一起來，最終將人從惡劣危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來，實(shí)現(xiàn)“安全、高效、綠色”高質(zhì)量掘進(jìn)。根據(jù)計(jì)劃安排，智能化檢測系統(tǒng)分階段進(jìn)行實(shí)施。

目前主要實(shí)施項(xiàng)目為：掘進(jìn)作業(yè)可視化系統(tǒng)；掘進(jìn)設(shè)備、多機(jī)協(xié)同監(jiān)控整體；安全生產(chǎn)系統(tǒng)，具體項(xiàng)目可達(dá)預(yù)期效果如下：

1)掘進(jìn)作業(yè)可視化系統(tǒng)。建立了一套高精度1∶1比例的掘進(jìn)作業(yè)線模型場景，地面安設(shè)可視化檢測系統(tǒng)，真實(shí)還原了掘進(jìn)巷道的內(nèi)部場景。所有的井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都接入這套系統(tǒng)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)流程、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化展示功能。

2)掘進(jìn)設(shè)備、多機(jī)協(xié)同監(jiān)控方面。研發(fā)了一套組合導(dǎo)航系統(tǒng)和多機(jī)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光接收標(biāo)靶、傾角傳感器、控制器組成，通過發(fā)射激光，采集傳感器的數(shù)據(jù)，可以確定掘錨一體機(jī)在巷道內(nèi)的相對(duì)位置。多機(jī)協(xié)同控制主要在掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、過渡帶式輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)上布置相對(duì)位置監(jiān)測傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測多機(jī)間的相對(duì)位置關(guān)系，為多機(jī)聯(lián)動(dòng)提供依據(jù)信號(hào)。導(dǎo)航系統(tǒng)與協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)，最終接入智能化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行可視化監(jiān)控。

3)安全生產(chǎn)方面。集成人員定位、安全監(jiān)測監(jiān)控、動(dòng)力監(jiān)控、視頻監(jiān)控等多個(gè)系統(tǒng)。利用傳感技術(shù)，接入掘進(jìn)工作面人員定位、安全監(jiān)測、壓風(fēng)、電力、供/排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測掘進(jìn)工作面作業(yè)過程。

3.2 已完成的系統(tǒng)

1)掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)。掘進(jìn)工作面安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)，內(nèi)設(shè)集控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備，分別對(duì)掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、供電系統(tǒng)、語音通訊系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面部分設(shè)備遠(yuǎn)程控制，監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、記錄，數(shù)據(jù)上傳等功能。

2)掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由礦用隔爆兼本安型交換機(jī)、礦用隔爆兼本安型電源箱、礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器、礦用本安型無線基站(WIFI)、多芯鎧裝連接器、礦用光纜、5G基站等組成，形成掘進(jìn)工作面千兆工業(yè)以太網(wǎng)及5G傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)現(xiàn)與機(jī)載無線通訊基站的可靠連接和數(shù)據(jù)高效傳輸，掘進(jìn)面所有監(jiān)測、控制及視頻數(shù)據(jù)利用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，快速接入千兆工業(yè)控制環(huán)網(wǎng)和工業(yè)視頻環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)至地面數(shù)據(jù)中心。

3)掘進(jìn)工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)。掘錨一體機(jī)(3臺(tái)，兩臺(tái)照向迎頭方向、一臺(tái)照向掘錨一體機(jī)運(yùn)輸機(jī)卸料點(diǎn))、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組(1臺(tái)，照向錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)輸機(jī)卸料點(diǎn))、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)(1臺(tái)，照向橋式轉(zhuǎn)載機(jī)卸料點(diǎn))、掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)(1臺(tái))、帶式輸送機(jī)機(jī)頭(2臺(tái))、膠帶輸送卸載點(diǎn)(1臺(tái))等關(guān)鍵區(qū)域配置9臺(tái)攝像儀。掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組和橋式轉(zhuǎn)載機(jī)處攝像儀采用無線傳輸方式，帶式輸送機(jī)機(jī)頭、遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)攝像儀采用有線傳輸方式，將掘錨一體機(jī)在工作面的位置狀態(tài)及現(xiàn)場畫面?zhèn)魉偷胶蠓骄蜻M(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)，使得操作人員能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作，確保移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)無拖曳通訊電纜以及音視頻和數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)傳輸。

4)掘錨一體機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光接收標(biāo)靶、傾角傳感器、控制器組成。激光發(fā)射器安裝在固定位置，激光接收標(biāo)靶和控制器安裝在設(shè)備上，激光發(fā)射器工作時(shí)發(fā)射激光束，激光標(biāo)靶接收到激光束后，控制系統(tǒng)根據(jù)激光在標(biāo)靶上的位置信息和傾角傳感器輸送信息，計(jì)算出設(shè)備的姿態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定向?qū)Ш?。組合導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成圖，如圖1所示。

圖1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

掘錨一體機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有三維姿態(tài)實(shí)時(shí)檢測功能，系統(tǒng)精度能夠自修正，檢測誤差不需人工標(biāo)定。掘錨一體機(jī)導(dǎo)航偏差±6cm/50m，具有掘錨一體機(jī)行走跑偏預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)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)距離以及機(jī)身相對(duì)于巷道的橫滾角、俯仰角和偏航角的實(shí)時(shí)測量，與掘進(jìn)工作面智能化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

5)掘進(jìn)工作面多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)。通過在掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)上布置相對(duì)位置監(jiān)測傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測多機(jī)間的相對(duì)位置關(guān)系，為多機(jī)聯(lián)動(dòng)提供依據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，如圖2所示。多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)在保證掘進(jìn)工作面“人-機(jī)-環(huán)境”安全條件下，能夠?yàn)椤熬蝈^一體機(jī)-錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組-橋式轉(zhuǎn)載機(jī)-帶式輸送機(jī)”提供多機(jī)啟動(dòng)過程、工作跟機(jī)過程、停機(jī)過程的協(xié)同控制信號(hào)，掘進(jìn)作業(yè)線各設(shè)備接收到信號(hào)后，通過各控制系統(tǒng)完成多機(jī)啟動(dòng)功能、預(yù)留工作跟機(jī)過程功能、多機(jī)停機(jī)功能、多機(jī)聯(lián)鎖功能。

圖2 掘進(jìn)工作面多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)

6)地面分控中心的構(gòu)建。在地面分控中心配置交換機(jī)、工作站、顯示器、操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地面對(duì)掘進(jìn)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制?，F(xiàn)在地面分控中心對(duì)掘進(jìn)工作面錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的油泵電機(jī)、運(yùn)輸機(jī)電機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)一鍵啟?？刂啤＞邆渑c掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)語音通話功能，對(duì)掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)及有關(guān)區(qū)域視頻監(jiān)視功能。

4 勞動(dòng)組織及應(yīng)用效果

4.1 快掘工作面的勞動(dòng)組織情況

張家峁煤礦15212快掘工作面定員38人，輔助人員49人。勞動(dòng)組織為“三八制”，八點(diǎn)班檢修，四點(diǎn)、零點(diǎn)班生產(chǎn)，檢修班定員9人，生產(chǎn)一班定員13人，生產(chǎn)二班定員13人。

4.1.1 掘進(jìn)班組工作安排

1)檢修班(即八點(diǎn)班)：負(fù)責(zé)掘錨一體機(jī)等設(shè)備的檢修、維護(hù)工作，負(fù)責(zé)工作面電路檢查維護(hù)及電纜延伸工作，帶式輸送機(jī)檢修、維護(hù)工作。

2)生產(chǎn)班(即零點(diǎn)、四點(diǎn)班)：主要肩負(fù)掘進(jìn)、支護(hù)等生產(chǎn)任務(wù)。

4.1.2 配備輔助工種工作安排

1)八點(diǎn)班：負(fù)責(zé)工作面風(fēng)水管路及帶式輸送機(jī)延伸工作，負(fù)責(zé)井下風(fēng)筒調(diào)平調(diào)直及延伸吊掛工作，負(fù)責(zé)全天工作面支護(hù)材料及設(shè)備配件運(yùn)送入井工作，負(fù)責(zé)井下工作面標(biāo)準(zhǔn)化整理、巷道積水及沿線浮煤清理工作。

2)四點(diǎn)班：負(fù)責(zé)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)巡檢工作，負(fù)責(zé)向工作面運(yùn)輸支護(hù)材料工作，負(fù)責(zé)工作面迎頭浮煤清理工作。

3)零點(diǎn)班：負(fù)責(zé)橋式轉(zhuǎn)載機(jī)巡檢工作，負(fù)責(zé)向工作面運(yùn)輸支護(hù)材料工作，負(fù)責(zé)工作面迎頭浮煤清理工作，負(fù)責(zé)在工作面儲(chǔ)備次日延伸帶式輸送機(jī)及風(fēng)水管路所需材料及配件。

為確?？炀蛳到y(tǒng)正常有序生產(chǎn)，完成任務(wù)目標(biāo)，優(yōu)化現(xiàn)場勞動(dòng)組織，提升現(xiàn)場管理水平，公司制定了詳細(xì)的工作安排及激勵(lì)獎(jiǎng)罰政策，加大對(duì)區(qū)隊(duì)的技術(shù)支持，提升區(qū)隊(duì)的自主管理能力，區(qū)隊(duì)根據(jù)公司相應(yīng)的管理制度，積極制定適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際的管理制度，以人為本，在發(fā)掘設(shè)備最大潛力的同時(shí)，積極提升區(qū)隊(duì)管理水平。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

1)第一階段——學(xué)習(xí)探索階段：快速掘進(jìn)設(shè)備剛步入掘進(jìn)一隊(duì)工作面，完全屬于摸索階段，通過設(shè)備安裝、調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)去學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)問題，并解決問題，該階段主要屬于學(xué)習(xí)摸索及優(yōu)化改進(jìn)階段，但是工作面未正式掘進(jìn)。

2)第二階段——設(shè)備升級(jí)階段：通過設(shè)備優(yōu)化后，單班最高進(jìn)尺40m，單日最高進(jìn)尺78m，當(dāng)月累計(jì)進(jìn)尺1530m。

3)第三階段——優(yōu)化應(yīng)用階段：智能快速掘進(jìn)設(shè)備投入后，創(chuàng)造單班最高進(jìn)尺65m，單日最高進(jìn)尺120m，月累計(jì)進(jìn)尺2700m，取得了中國快掘行業(yè)單班、單日及單月最高進(jìn)尺。

5 結(jié) 論

張家峁煤礦針對(duì)礦井采掘生產(chǎn)銜接緊張難題，借助智能先進(jìn)的掘錨一體機(jī)等設(shè)備，構(gòu)建了智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化系統(tǒng)工藝，取得了顯著成效，提升了智能化礦井的建設(shè)水平。

1)煤巷智能快速掘進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全斷面快速掘進(jìn)、巷道掘破支運(yùn)平行作業(yè)、信息聯(lián)動(dòng)控制，代表了目前快速掘進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化領(lǐng)域的最高水平，是快速掘進(jìn)技術(shù)類型的創(chuàng)新與發(fā)展。

2)張家峁煤礦智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)包括：掘進(jìn)作業(yè)可視化系統(tǒng)、掘進(jìn)設(shè)備、多機(jī)協(xié)同監(jiān)控、安全生產(chǎn)、掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程監(jiān)控操作臺(tái)、掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)、掘錨一體機(jī)組合導(dǎo)航系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)和地面分控中心的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)張家峁煤礦的高質(zhì)量快速掘進(jìn)，緩解接續(xù)壓力，保障千萬噸產(chǎn)能。