黃陵二號煤礦智能快速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

曹 鵬， 同曉軍

（陜西黃陵二號煤礦有限公司， 陜西 延安 727307）

引言

隨著AI 技術(shù)和5G 通訊等智能科技的加速推廣，將以錨索機(jī)器人及智能快速掘進(jìn)一鍵啟動、視頻監(jiān)控等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)成套裝備工作面本地控制、無線遙控、遠(yuǎn)程控制和可視化控制等功能，通過大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)系統(tǒng)一鍵啟停、自主定向?qū)Ш?、自動定形截割、自動支護(hù)及自動掃幫等功能，進(jìn)一步釋放智能快速掘進(jìn)設(shè)備潛力[1-2]。同時(shí)，將大力推進(jìn)AI 技術(shù)在NOSA 管理中的應(yīng)用，在307 區(qū)域裝配AI 智能場景識別視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)和人力智能安全感知融合管控。持續(xù)踐行“機(jī)械化換人，自動化減人，智能化少人，確保安全”的目標(biāo)[3]。

1 工程概況

二號煤礦是黃陵礦業(yè)公司所屬的大型骨干礦井，井田位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)境內(nèi)，井田總面積352 km2，地質(zhì)儲量9.45 億t，可采儲量6.4 億t，煤層平均厚度3.39 m。礦井始建于2004 年5 月，核定生產(chǎn)能力800 萬t/年。215 膠帶巷位于陜西黃陵二號煤礦井下二盤區(qū)左翼，設(shè)計(jì)長度為3 510 m，巷道主要用于215 綜采工作面回采時(shí)出煤系統(tǒng)鋪設(shè)、供排水安裝，截止2020 年12 月底施工399.4 m，剩余3 110.6 m，于2021 年開始快速掘進(jìn)設(shè)備工業(yè)性試驗(yàn)。

2 支護(hù)優(yōu)化與設(shè)備配套

1）215 膠帶巷沿煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，掘?qū)?.4 m，掘高3.8 m，斷面積20.52 m2，掘進(jìn)期間采用超前邁步支架裝置作為臨時(shí)支護(hù)，永久支護(hù)為錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)。由于快掘設(shè)備比原綜掘設(shè)備體積大，為滿足該套設(shè)備正常使用，將215 膠帶巷高度變更為4 m，掘?qū)挷蛔?，斷面積變?yōu)?1.6 m2。由于二盤區(qū)地質(zhì)條件限制（頂板掉矸而幫部完好），所以頂部支護(hù)參數(shù)不做調(diào)整，兩幫部排距由原設(shè)計(jì)900 mm 優(yōu)化為1 200 mm，其余支護(hù)參數(shù)和規(guī)格不變。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的支護(hù)強(qiáng)度能夠達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果，后續(xù)需加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，根據(jù)礦壓監(jiān)測和現(xiàn)場情況，及時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2）215 膠帶巷快掘設(shè)備由EBZ260M-2 型錨護(hù)掘進(jìn)機(jī)（加邁步支架臨時(shí)支護(hù)）、CMM4-30 液壓錨索鉆車、ZDY80/120/135 型可彎曲膠帶機(jī)、DWZY800/1500邁步自移機(jī)尾、自移設(shè)備列車等組成，構(gòu)成錨護(hù)一體化快速掘進(jìn)設(shè)備，適用于中厚煤層及半煤巖巷的掘進(jìn)。如圖1 所示。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

1）支護(hù)工藝。安排5 人使用2 臺氣腿式錨桿機(jī)施工頂板錨桿，每循環(huán)共21 根頂錨桿；安排4 人使用2臺手持式錨桿機(jī)施工上部3 根幫錨桿，底角錨桿滯后邁步支架尾部20 m（由八點(diǎn)班施工），每循環(huán)共13.5根幫錨桿；安排2 人利用1 臺氣腿式錨桿機(jī)施工邁步支架后錨索，每循環(huán)平均6 根錨索。錨桿支護(hù)均在割煤后進(jìn)行施工（底角錨桿在八點(diǎn)班施工）；錨索支護(hù)在割煤和錨桿支護(hù)時(shí)均可進(jìn)行施工，基本能保證邁步支架后所有錨索施工到位。

2）快速掘進(jìn)工業(yè)性試驗(yàn)。每個(gè)正規(guī)工作循環(huán)包括：割煤運(yùn)煤、上網(wǎng)走架和永久支護(hù)。最高日進(jìn)尺達(dá)21 排時(shí)，每循環(huán)用時(shí)約3 h，分別是割煤運(yùn)煤用時(shí)約80 min，上網(wǎng)走架共20 min，永久支護(hù)用時(shí)約80 min。

4 施工效率低的影響因素

1）單進(jìn)水平效率低。每循環(huán)割煤運(yùn)煤時(shí)間平均80 min，占比44.4%，嚴(yán)重制約單進(jìn)水平。為滿足快速掘進(jìn)設(shè)備順利通過及激光儀安設(shè)需求，巷道高度由原設(shè)計(jì)3 800 mm 調(diào)整為4 000 mm，而煤層厚度2.1～3.3 m，平均厚度只有2.7 m，巷道底板破矸至少700 mm，平均1 300 mm，破底割矸時(shí)間較長，與原綜掘設(shè)備相差不大。巷道局部區(qū)段頂板較為破碎，導(dǎo)致不能正規(guī)循環(huán)作業(yè)，短掘短支影響單進(jìn)水平。破矸或掉矸較多，導(dǎo)致運(yùn)煤困難，大塊矸石會堵在掘錨機(jī)一運(yùn)和可彎曲皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，此時(shí)需要停機(jī)安排人員處理，造成運(yùn)煤時(shí)間長。

2）支護(hù)操作用時(shí)長。支護(hù)時(shí)間在每循環(huán)占比約44.4%，嚴(yán)重制約單進(jìn)水平。機(jī)載錨桿鉆機(jī)支護(hù)錨桿每循環(huán)超過氣腿式錨桿鉆機(jī)1 h 以上，因此目前使用氣腿式錨桿鉆機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)，因機(jī)載錨桿鉆機(jī)設(shè)備大、超前邁步支架阻礙和操作液壓系統(tǒng)對錨桿眼位精度要求高，導(dǎo)致確認(rèn)錨桿眼位耗時(shí)長。支護(hù)頂部中間1 根錨桿時(shí)，因設(shè)備較大，掘錨機(jī)上方空間有限，需要擺動掘錨機(jī)截割部，用時(shí)長；只配備2 臺機(jī)載錨桿鉆機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)左右巷道頂、幫部同時(shí)支護(hù)。機(jī)載錨桿鉆機(jī)操作耗時(shí)耗力，操作需要配備人員為：機(jī)載錨桿鉆機(jī)車操作工1 人、機(jī)載錨桿鉆操作工1 人、鉆機(jī)上更換鉆桿1 人、底板上準(zhǔn)備錨固劑以及穿錨桿1 人。機(jī)載錨桿鉆機(jī)扭矩力較小，達(dá)不到初次預(yù)緊力，需要人工進(jìn)行初次預(yù)緊，相對耗時(shí)耗力。在錨注錨桿時(shí)，因鉆機(jī)上端防鉆桿擺動裝置較小，錨桿托盤無法通過，所以在錨注時(shí)需要將托盤提前拆下放在設(shè)備上端。錨索鉆車與掘錨機(jī)之間有除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒和轉(zhuǎn)載點(diǎn)，導(dǎo)致間距過大，最短5 m，為保證頂板安全要求錨索支護(hù)緊跟邁步支架，因此采用氣腿式錨桿鉆機(jī)施工錨索，不能發(fā)揮錨索鉆車優(yōu)勢，錨索支護(hù)耗時(shí)較長。

5 割煤改進(jìn)措施

在不影響巷道使用的前提下進(jìn)行降低掘進(jìn)高度的可行性試驗(yàn)，擬采用機(jī)載臨時(shí)支護(hù)替換邁步支架，現(xiàn)已聯(lián)系廠家，交流改進(jìn)原有機(jī)載臨時(shí)支護(hù)，確保臨時(shí)支護(hù)面積不小于3.0 m×2.9 m，若試驗(yàn)成功，預(yù)計(jì)可將巷道高度調(diào)整為3.5m，少割矸0.5 m。其次，改進(jìn)掘錨機(jī)和可彎曲皮帶聯(lián)鎖裝置，使設(shè)備運(yùn)行操作更方便，運(yùn)煤更通暢，預(yù)計(jì)每排節(jié)約用時(shí)約5 min。針對錨桿支護(hù)，將掘錨機(jī)原有的機(jī)載鉆機(jī)轉(zhuǎn)速提高，增加鉆箱進(jìn)液管直徑（由原Φ13 m 變?yōu)棣?9 m，已達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速），進(jìn)一步提高錨桿施工效率。針對錨索支護(hù)，通過增加泡沫除塵設(shè)施，縮減機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒，從而減少錨索鉆車與邁步式支架間距，使錨索鉆車可以緊跟邁步支架施工錨索，充分發(fā)揮錨索鉆車優(yōu)勢。繼續(xù)加強(qiáng)職工操作訓(xùn)練，進(jìn)一步提高操作熟練程度、割煤效率、支護(hù)效率和各工藝銜接順暢程度。綜合上述改進(jìn)方案，每排共計(jì)可節(jié)約5 min 以上，每循環(huán)節(jié)約20 min，每天生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約80 min（見表1），能夠圓滿完成月進(jìn)尺550 m 的預(yù)期目標(biāo)。

表1 改進(jìn)前后快掘效率對比表

6 優(yōu)化效果

引進(jìn)快速掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從綜掘到快掘，再到智能化快速掘進(jìn)的跨越?？炀蛑悄芑刂葡到y(tǒng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用，讓井下少人掘進(jìn)成為現(xiàn)實(shí)，取得了較好效果，同時(shí)為探索無人掘進(jìn)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1）效率高。智能掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用以來，先后在厚煤層巷道月進(jìn)尺保持在680 m 以上，在薄煤層含硬夾矸巷道掘進(jìn)月進(jìn)尺保持在550 m 以上，較傳統(tǒng)掘相比，掘進(jìn)速度提高了2 倍多。

2）用人少。原來掘進(jìn)工作面，每班需要13 名職工，裝備智能化掘進(jìn)系統(tǒng)后，現(xiàn)在只需5 人井下巡視，1 人地面遠(yuǎn)程操作就可以完成正常掘進(jìn)任務(wù)。掘進(jìn)隊(duì)用工人數(shù)在原來的基礎(chǔ)上可減少20 人，掘進(jìn)綜合工效提高了20%以上。

3）安全性高。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在掘進(jìn)過程中的安全事故占到了很多煤礦安全事故的1/3。煤礦智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)及機(jī)器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，破解了復(fù)雜地質(zhì)條件智能掘進(jìn)難題，可實(shí)現(xiàn)掘、支、運(yùn)同步作業(yè)，減少掘進(jìn)工作面人員，讓工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)和繁重崗位，不僅進(jìn)一步減輕了職工勞動強(qiáng)度，更提高了安全系數(shù)，促進(jìn)煤礦安全管理。