井下巷道智能化掘進方案的研究

張成龍

（華陽集團開元公司工程隊， 山西 壽陽 045400）

井下巷道掘進過程是影響煤礦井下綜采作業的重要工序，直接決定了井下綜采作業的效率和安全性。隨著煤炭開采時間的增加，淺層次煤炭開采殆盡，目前多數煤炭生產企業開始逐步轉向深部煤炭資源的開采，由于深部巷道圍巖地質結構復雜、穩定性差，傳統巷道掘進方案難以適應，因此導致巷道掘進效率低、安全性差等問題，嚴重影響了井下綜采作業的經濟性。

在對煤礦井下巷道掘進流程和影響因素進行分析的基礎上，結合智能化控制技術的發展，提出了一種新的煤礦井下巷道智能掘進方案，通過對掘進機控制系統進行智能化改造，實現了掘進機的無人智能截割作業，同時通過對巷道掘進物料轉運設備進行優化、提高井下勞動組織協同等措施，實現了井下巷道掘進效率和安全性的提升。根據實際應用表明，新的巷道掘進方案能夠將井下巷道掘進效率提高13.3%以上，具有極大的應用推廣價值。

1 巷道掘進效率影響因素分析

井下巷道在掘進過程中主要利用掘進機進行井下巷道掘進，利用礦車、鑿巖機等進行矸石的轉運，在掘進過程中還需要大量人員間的相互配合，現對影響巷道掘進效率的主要因素進行分析[1]。

1.1 掘進機影響

在實際掘進過程中，掘進機普遍采用人工控制的方式，在掘進過程中需要人工根據經驗對井下巷道的巖層情況進行判斷，由于能見度差，使得截割的速度慢、巷道成型質量差，需要二次截割，因此極大地限制了井下巷道掘進效率的提升。

1.2 裝巖、巖石轉運因素影響

在巷道掘進過程中，由于巖層硬度大，因此傳統的氣腿式鑿巖機的鑿巖效率非常低，耙斗式裝巖設備也存在著巖石轉運不徹底，需要人工進行二次清掃，同時井下配備的礦車數量不足，容易導致運輸的間斷。

1.3 人員管理問題

井下作業環境惡劣，掘進面場地不足，在人員配備上不夠合理，且各工序間的銜接較差，無法實現連續不間斷作業，工序平衡性差，從而進一步限制了井下巷道掘進效率的提升。

2 掘進機控制系統的智能化改造

掘進機在工作過程中需要根據井下的實際地質情況不斷調整截割速度、進給速度、截割高度等參數，在通常情況下，主要由人工來操作，但該模式嚴重依賴于操作人員的技術水平和操作狀態，掘進一致性差，因此為了提升掘進機的截割可靠性，本文對掘進機的控制系統進行了優化升級，其控制系統結構如下頁圖1 所示[2]。

由圖1 可知，該控制系統采用了集成控制和大數據統一分析的結構，通過分布在掘進機上的各類傳感器對掘進機的截割參數、截割姿態進行動態分析，實現對其截割時的一鍵智能控制。

圖1 掘進機截割控制系統結構示意圖

該控制系統主要包括分布式總線模塊、遠程DI模塊以及CAN 總線通信模塊以及數據處理模塊。分布式總線模塊主要用于對掘進機工作過程中各個電機和關鍵器件的工作溫度和電流進行監測，以避免出現溫升過大或者電流異常導致的運行故障。遠程DI 模塊主要用于實現對掘進機截割過程的遠程控制和報警。CAN 總線通訊模塊主要用于控制整個掘進機系統的數據通信，以滿足數據傳輸、抗干擾和遠程通信功能。數據處理模塊是整個控制系統的核心，能夠對監測信號進行分析，根據分析結果輸出控制信號，控制掘進機的運行過程，且能通過對比數據及時識別異常信號并報警，從而提升掘進機截割作業安全性。

3 掘進機記憶截割控制

為了滿足井下掘進機無人化控制需求，在對掘進機進行改造時，提出了記憶截割控制方案，以提高掘進機截割控制效率和巷道成型質量，記憶截割控制邏輯如圖2 所示[3]。

圖2 掘進機記憶截割控制邏輯示意圖

由圖2 可知，該記憶截割控制系統中主要包括了人工示范和記憶截割兩個方面的功能，在實際應用過程中首先由人操控掘進機進行截割作業，系統對截割過程中的掘進機截割高度、截割轉速等進行跟蹤記錄，形成截割控制路徑。當進入自動截割狀態后，系統自動調取截割路徑，進行自動截割控制。

該截割控制系統的優點在于能夠根據井下實際的作業環境進行自動調整，消除了人工控制不確定因素的影響，有效地確保了截割效率和巷道的成型質量。

4 巖石轉運設備改進

為了解決井下巷道巖石轉運不及時的問題，在經過多次試驗驗證后，提出采用液壓鉆車+挖掘裝載機+梭車不間斷進行巖石裝載、轉運的方案。在應用過程中，由液壓鉆車在前端進行鉆進，然后由挖掘裝載機及時跟進，將垮落的巖石直接轉運到梭車上進行轉運，實現了井下巖石轉運的連續作業，避免了巖石堆積影響作業效率的難題，該連續作業方案結構如圖3 所示[4]。

圖3 井下巖石不間斷轉運作業流程

5 井下人員管理改善

針對井下作業面區域狹窄的情況，對作業工序進行了合理的優化，對不同班組作業人員實施了考核上崗制度，制定了不同作業工序的交接班、工序流程及工時排布，實現了井下破巖、支護、巖石轉運作業工序的無縫銜接。

改進了井下管理制度，建立了精益改善小組，鼓勵作業人員指出井下不合理作業工序，并提出改善建議，改善后對提出者及實施者進行現金獎勵，有效地提升了井下人員作業的積極性。

通過對優化后井下綜采面作業情況進行跟蹤，發現其井下作業人員數量由27 人減少到了16 人，人員數量降低了40.7%，井下巷道掘進效率由4.6 m/d提升到了目前的5.21 m/d，效率提升了13.3%，由于井下作業人員數量的降低，也有效提升了井下巷道掘進過程的安全性。

6 結論

1）影響巷道掘進效率的主要因素包括掘進機自動化程度低、巖石轉運不及時、人員管理不合理。

2）掘進機記憶截割的優點在于能夠根據井下實際的作業環境進行自動調整，消除了人工控制不確定因素的影響，有效確保了截割效率和巷道成型質量。

3）管理優化后，巷道井下作業人員數量降低了40.7%，巷道掘進效率提升了13.3%，對提升井下掘進效率和安全性具有十分重要的意義。