大斷面煤巷智能掘進(jìn)裝備系統(tǒng)及其效益分析

崔軍政

（晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司寺河礦， 山西 晉城 048205）

0 引言

回采巷道是煤礦井下綜采工作面的重要安全通道，具有通風(fēng)及輔助運(yùn)輸?shù)淖饔?，是工作面安全高效開采的前提和基礎(chǔ)[1-3]。隨著開采理論研究的不斷深入和開采技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，越來越多的綜采工作面實(shí)現(xiàn)了高效智能化生產(chǎn)。綜采工作面的快速發(fā)展對(duì)掘進(jìn)技術(shù)也提出了新的要求：一方面高效智能化開采工作面推進(jìn)速度快、所需設(shè)備大，要求回采巷道的斷面不斷增大；另一方面工作面快速推進(jìn)，要求回采巷道具有較高的掘進(jìn)速度[4-6]。寺河礦綜采工作面回采巷道設(shè)計(jì)為矩形巷道，巷道寬度為5.40 m，高度為3.80 m，以往的回采巷道采用EBZ160 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，實(shí)際作業(yè)過程中存在掘進(jìn)速度慢、掘進(jìn)效率低、智能化程度低等問題，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面施工人數(shù)多，掘進(jìn)與回采作業(yè)人員比例超過4∶1，安全高效的掘進(jìn)問題需要進(jìn)一步解決。以W2307 工作面運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有的掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)掘進(jìn)工作面新型智能掘進(jìn)裝備進(jìn)行了選型研究，并對(duì)掘進(jìn)效益進(jìn)行了分析，為后期掘進(jìn)工作面智能化升級(jí)提供參考。

1 巷道掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

W2307 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道掘進(jìn)寬度為5 400 mm，掘進(jìn)高度為3 800 mm，沿煤層底板全煤巷掘進(jìn)，相鄰以往的工作面運(yùn)輸順槽采用EBZ160 型懸臂式掘進(jìn)裝備掘進(jìn)，配套手持式錨桿鉆機(jī)及后配套運(yùn)輸系統(tǒng)，具體掘進(jìn)工藝為：掘進(jìn)機(jī)割、裝、運(yùn)煤→達(dá)到循環(huán)進(jìn)度后→調(diào)機(jī)→人工鋪網(wǎng)、永久支護(hù)→延皮帶/接溜槽、接風(fēng)筒→清理浮煤。實(shí)際掘進(jìn)過程中平均月進(jìn)尺為210 m。

1）掘進(jìn)裝備功率偏低。目前掘進(jìn)工作面使用EBZ160 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，實(shí)際掘進(jìn)過程中掘進(jìn)裝備電機(jī)功率偏低，隨著巷道斷面的逐漸增大，截割路徑逐漸增大，實(shí)際截割過程中截割速度慢、耗時(shí)多，增加了單工序作業(yè)時(shí)間，制約了整體掘進(jìn)速度。

2）永久支護(hù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。掘進(jìn)過程中通過人工鋪網(wǎng)，采用手持式錨桿鉆機(jī)打鉆孔、安裝錨桿及錨索，在工作面附近打設(shè)全部錨桿及錨索，實(shí)際永久支護(hù)作用時(shí)間長(zhǎng)，占單工序作業(yè)時(shí)間的65%以上，此外，掘進(jìn)與永久支護(hù)無法實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，單工作面作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，制約了掘進(jìn)速度。

3）掘進(jìn)系統(tǒng)智能化程度低。掘進(jìn)過程中，各設(shè)備僅具有簡(jiǎn)單的單機(jī)控制功能，各設(shè)備協(xié)同性較差，需要多人協(xié)同操作，掘進(jìn)設(shè)備整體智能化程度較低，在一定程度上制約了掘進(jìn)速度。

2 智能掘進(jìn)掘進(jìn)裝備選型及技術(shù)特征

根據(jù)W2307 工作面掘進(jìn)截割要求，掘進(jìn)及截割頭由巷道一側(cè)頂部進(jìn)刀，進(jìn)刀深度為400 mm，截割進(jìn)刀后沿著水平方向截割，每完成一次水平擺動(dòng)截割后下降800 mm，連續(xù)逐步向下水平擺動(dòng)向截割，直至達(dá)到巷道斷面設(shè)計(jì)要求時(shí)，修復(fù)巷道邊緣。結(jié)合相鄰礦區(qū)相似條件下巷道快速掘進(jìn)裝備選型及應(yīng)用情況，通過類比分析可知，選用EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的截割速度、截割功率等可以滿足要求，初步確定W2307 工作面運(yùn)輸順槽使用EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。

EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：機(jī)身長(zhǎng)度為11.52 m；機(jī)身寬度為3.2 m；機(jī)身高度為2.3 m；電機(jī)功率為200 kW；額定電壓為1 140 V；額定轉(zhuǎn)速為479 r/min；切割頭臥底深度為0.225 m；爬坡能力為±18°；總質(zhì)量為約75 t。

EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)配備了智能化控制系統(tǒng)，主要包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、自動(dòng)截割系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)、負(fù)載自適應(yīng)控制、姿態(tài)自調(diào)整及防撞控制、危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別系統(tǒng)等。

1）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：由導(dǎo)航定位系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、視頻及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制平臺(tái)、等子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)在遠(yuǎn)端能實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)工作面整體環(huán)境圖像、傳送掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行影像、工作狀態(tài)、油溫、系統(tǒng)工作時(shí)間、截割計(jì)時(shí)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上傳的姿態(tài)方位角信息、巷道參數(shù)的設(shè)置界面、截割頭軌跡在線監(jiān)控等。

2）自動(dòng)截割系統(tǒng)：通過導(dǎo)航定位系統(tǒng)、隔爆型激光陀螺慣性導(dǎo)航儀與礦用隔爆型三維激光掃描儀相融合，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)車身姿態(tài)方位信息的完全自主獲取，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)車載多傳感器組合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過精確的模型計(jì)算得出掘進(jìn)機(jī)截割頭實(shí)時(shí)位姿信息，在煤礦巷道內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量掘進(jìn)機(jī)車身及截割頭的動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的掘進(jìn)作業(yè)。

目前，殼牌、道達(dá)爾等西方石油公司憑借在液化天然氣等方面的特有技術(shù)，占據(jù)該地區(qū)天然氣開發(fā)生產(chǎn)多年。中國(guó)石油企業(yè)要想在卡塔爾有所建樹，需要與國(guó)際公司開展合作，利用市場(chǎng)及資金優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)技術(shù)的不足。但一段時(shí)間以來，卡塔爾因政策導(dǎo)向與周邊阿拉伯國(guó)家關(guān)系緊張，對(duì)其投資環(huán)境應(yīng)給與重點(diǎn)關(guān)注。

3）集中控制系統(tǒng)：可針對(duì)掘進(jìn)設(shè)備、二運(yùn)轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾、皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制、狀態(tài)監(jiān)控、工作面場(chǎng)景再現(xiàn)等。

4）負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)：掘進(jìn)裝備的截割速度可根據(jù)地層的不同情況實(shí)時(shí)調(diào)整速度，避免出現(xiàn)機(jī)器振動(dòng)過大的現(xiàn)象。

5）姿態(tài)自調(diào)整及防撞控制：對(duì)掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)的不同邊界姿態(tài)進(jìn)行定性和分類，根據(jù)分類情況，相應(yīng)的情形均觸發(fā)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)自調(diào)整策略，機(jī)器行走方式為履帶式，經(jīng)過分析履帶式行走的特性，決定在姿態(tài)自調(diào)整控制中采用雙側(cè)履帶行走速度的絕對(duì)值保持相等的方式，以保證模型的準(zhǔn)確性。

6）危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別系統(tǒng)：通過車身加裝熱釋紅外傳感器對(duì)進(jìn)入探測(cè)范圍內(nèi)的人員進(jìn)行感應(yīng)或與井下人員定位系統(tǒng)對(duì)接，對(duì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的人員進(jìn)行探測(cè)，開機(jī)前及運(yùn)行過程中，監(jiān)測(cè)到人員時(shí)，進(jìn)行停機(jī)報(bào)警。

3 快速掘進(jìn)系統(tǒng)

根據(jù)掘進(jìn)工作面懸臂式掘進(jìn)裝備選型結(jié)果，結(jié)合寺河礦以往的掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀分析，認(rèn)為制約工作面掘進(jìn)速度的主要因素為永久支護(hù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，以往的永久支護(hù)作業(yè)通過人工進(jìn)行鋪網(wǎng)，使用手持式錨桿鉆機(jī)打設(shè)鉆孔，安裝全部的錨桿及錨索，并施加預(yù)緊力，支護(hù)過程中單個(gè)作業(yè)人員使用順序作業(yè)的模式進(jìn)行，安裝完全部的錨桿和錨索時(shí)實(shí)際耗時(shí)長(zhǎng)，一方面增加了單工序作業(yè)時(shí)間，另一方面永久支護(hù)作業(yè)時(shí)間占單工序作業(yè)時(shí)間比例高，永久支護(hù)效率在很大程度上影響了工作面整體掘進(jìn)效率。為了適應(yīng)EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的快速截割要求，提高整體掘進(jìn)速度，應(yīng)從降低永久支護(hù)作業(yè)時(shí)間入手，引入自動(dòng)錨桿鉆車代替人工錨桿支護(hù)可有效降低永久支護(hù)作業(yè)時(shí)間，從而降低單工序掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間。

W2307 運(yùn)輸順槽屬于大斷面巷道，考慮巷道掘進(jìn)裝備的空間運(yùn)行關(guān)系，在EBZ200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上，引入兩臂式錨桿鉆車，在掘進(jìn)機(jī)完成規(guī)定的截割工序后，由錨桿轉(zhuǎn)車快速工作面所需錨桿，完成永久支護(hù)；同時(shí)為適應(yīng)工作面掘進(jìn)系統(tǒng)的快速、連續(xù)運(yùn)輸，考慮掘進(jìn)工作面各設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，引入皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾，有效連接掘進(jìn)機(jī)后方皮載機(jī)及皮帶輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的快速運(yùn)移，保證掘進(jìn)工作面運(yùn)輸系統(tǒng)的連續(xù)性和高效性。

使用新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)的具體作用工藝流程如下：交接班→安全檢查→校對(duì)激光→掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入已支護(hù)好的巷道截割、裝載、運(yùn)煤→達(dá)到循環(huán)進(jìn)度后停止截割，退機(jī)→兩臂式錨桿鉆車進(jìn)入已割好的巷道內(nèi)→安全檢查、敲幫問頂→用錨桿鉆車的臨時(shí)支臂進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)→永久支護(hù)→延皮帶/接溜槽、接風(fēng)筒→清理浮煤→完成單工序掘進(jìn)作業(yè)。

4 快速掘進(jìn)系統(tǒng)投資估算及效益分析

4.1 設(shè)備投資估算

采用新型快速掘進(jìn)技術(shù)裝備后，需增加購(gòu)置的設(shè)備主要有EBZ200 型智能掘進(jìn)機(jī)、皮帶裝載機(jī)、錨桿鉆車、自移機(jī)尾、掘進(jìn)智能控制系統(tǒng)，皮帶機(jī)使用原有設(shè)備，其中EBZ200 型智能掘進(jìn)機(jī)投資估算為280.00萬元，錨桿鉆車投資估算為140.00 萬元，皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)及自移機(jī)尾投資估算合計(jì)為80.00 萬元，智能控制系統(tǒng)投資估算為160.00 萬元，快速掘進(jìn)系統(tǒng)總體投資估算為660.00 萬元。

4.2 快速掘進(jìn)收益分析

4.2.1 掘進(jìn)效率

以往的回采巷道掘進(jìn)工作面平均月進(jìn)尺為210 m，通過與周圍相鄰礦區(qū)快速掘進(jìn)實(shí)踐類比，結(jié)合掘進(jìn)工作面開采技術(shù)條件，使用快速掘進(jìn)系統(tǒng)后掘進(jìn)巷道平均月進(jìn)尺可確定為360 m，按照年有效掘進(jìn)11個(gè)月，1 個(gè)月設(shè)備搬家，則原有設(shè)備年進(jìn)尺為2 310 m，快速掘進(jìn)系統(tǒng)年進(jìn)尺為3 960 m，掘進(jìn)速度預(yù)計(jì)提高71.43%。

4.2.2 人工成本分析

以往的掘進(jìn)巷道單工作面生產(chǎn)所需人員為18人，檢修人員為13 人，按照“三八制”作業(yè)制度，各工作日需要2 個(gè)生產(chǎn)班，1 個(gè)檢修班，共49 人，每人平均月工資為1.20 萬元，則原有的掘進(jìn)年人工成本為705.60 萬元；使用快速掘進(jìn)系統(tǒng)后單工作面生產(chǎn)班人員需10 人，檢修班人員需12 人，共34 人，按照相同的作業(yè)制度，年人工成本為489.60 萬元，年節(jié)約人工成本216.00 萬元。

4.2.3 收益分析

使用原有的掘進(jìn)工藝與裝備時(shí)，一個(gè)掘進(jìn)隊(duì)需要49 人，年進(jìn)尺為2 310 m，按照政策，掘進(jìn)1 m 集團(tuán)公司按照0.5 萬元收入計(jì)算，則一個(gè)掘進(jìn)隊(duì)年收入為1 155 萬元，除去人工成本收益為449.40 萬元；使用快速掘進(jìn)工藝與裝備時(shí)，一個(gè)掘進(jìn)隊(duì)需要34 人，年進(jìn)尺為3 960 m，按照政策，掘進(jìn)1 m 集團(tuán)公司按照0.5萬元收入計(jì)算，則一個(gè)掘進(jìn)隊(duì)年收入為1 980 萬元，除去人工成本收益為1 490.40 萬元。不考慮其他因素，使用快速掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，需要0.44 個(gè)月即可收回設(shè)備投資成本。

5 結(jié)語

對(duì)寺河礦快速掘進(jìn)工作面智能化設(shè)備選型及成套系統(tǒng)投資收益進(jìn)行了初步研究，為后期智能化掘進(jìn)工作面的實(shí)施提供參考，在后期智能化升級(jí)改造過程中要充分考慮掘進(jìn)工作面實(shí)際開采技術(shù)條件，根據(jù)礦方自身的實(shí)際條件制定合理的掘進(jìn)施工規(guī)程及智能化管理規(guī)章制度，為巷道安全高效掘進(jìn)提供基礎(chǔ)與保障。