煤礦智能化掘進系統的應用研究

段志剛

（晉城金鼎天地煤機裝備有限責任公司，山西 晉城 048000）

引言

近幾年，國家安全監管總局、國家發改委等政府機構相繼出臺了多項政策方針：如“關于開展“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動的通知、“提升煤炭開發效率與智能化水平、重點煤礦區基本實現工作面無人化”等，規定到2025 年，需實現大型煤礦和災害嚴重煤礦的智能化建設，到2035 年，各類煤礦基本實現智能化[1]。山東、山西等各地方也相繼出臺了關于煤礦智能化建設的實施方案。采用當前成熟的自動化、智能化控制技術開展智能化工作面的建設成為當前重要的發展方向，其中，智能化掘進系統則是整個智能化工作面的重要組成部分[2]。

1 智能化煤礦建設評價規范分析

依據“中國煤炭學會團體標準T/CCS 001—2020”中關于智能化煤礦建設條件的分類規定，將智能化建設條件I 類礦井（100～85）定義為良好，智能化建設條件II 類礦井（85～70）定義為中等，智能化建設條件III 類礦井（＜70）定義為復雜[3]。同時，基于礦井煤層賦存地質條件、生產技術條件與智能化建設基礎，確定高級智能化煤礦的智能化程度≥85%，中級智能化煤礦的智能化程度為75%～85%，初級智能化煤礦的智能化程度為60%～75%[4]。同時，在建設過程中，需對系統中巷道掘進過程實現全機械化作業、掘進速度滿足礦井采掘接替要求、采用智能地質探測技術與設備、掘進設備應采用綜合機械化掘進方式，對具備自主導航、坡度追蹤和自動截割功能等方面進行考核評價打分，具體詳盡相關標準規范，以此最終得分來考核掘進系統的綜合性能。此考核評價指標及要求將對智能化掘進系統的建設提供重要的指導依據。

2 智能化掘進系統配套總體方案

結合當前的政策規定及煤礦智能化建設需求，開展了煤礦智能化掘進系統的設計研究。所設計的智能化掘進系統主要由雙錨掘進機、智能探測設備、帶式轉載機、自移機尾、兩臂錨索錨桿鉆車、除塵系統、順槽車、智能控制系統等組成，所有設備均采用智能化進行遠程操作與控制。其中，雙錨掘進機主要負責對巷道掘進、出料、前探及迎頭錨桿支護；智能探測設備負責對掘進巷道側幫和前方的地質異常探測；帶式轉載機與邁步式自移機尾重合搭接，保障連續掘進；自移機尾的機尾可自移，自動延伸帶式轉載機；除塵系統則通過內部的大功率除塵設備來控制及處理工作面中的粉塵；順槽車負責順槽巷道中物料、設備及人員的運輸；智能控制系統最終實現對系統裝備進行系統控制、遠程監控。所設計的掘進系統能適應于6 m 范圍內的巷道寬度；適用于3.2～5.2 m的巷道高度，膠帶搭接行程達到了10 m，通過各部件的相互配合，可實現掘進工作面的全工序機械化，巷道工作面實際施工時也大大減少了皮帶輸送機拉移次數，實現了掘進工作面快速推進，在巷道內操作也更加靈活，減輕了工人勞動強度，人員數量也相應減少。整個智能化掘進系統的總體布局圖如圖1 所示。

圖1 巷道工作面中智能化掘進系統總體布局圖

3 掘進系統中關鍵配套裝備設計

3.1 EBZ220M 雙錨掘進機匹配設計

掘進系統中采用了EBZ220M 型雙錨掘進機，整體采用可伸縮截割機構，減小截割機器調動，截割效率高，如圖2 所示。鉆機系統集成在機身兩側，操作臺置于機身上方，同時，錨桿鉆機采用電液遙控控制，適用多種形狀巷道全斷面錨桿、錨索支護，錨護效率高。該設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≤80 MPa，履帶板寬度為800 mm，鉆機最大轉矩為315 N·m，鉆箱最大進給長度為1 820 mm。錨桿、錨索支護過程全部機械化作業，降低了工人勞動強度，避免了打孔時工人淋水，減小了噪音，改善了工人作業環境。另外，增加了臨時支護裝置，提高了錨護作業安全性。

圖2 EBZ220M 型雙錨掘進機

3.2 帶式轉載機匹配設計

在此掘進系統中采用了DZQ100/100/40 型礦用帶式轉載機，與邁步自移機尾重合搭接，保障連續掘進。與機尾部搭接行程長，減少了拉移次數，具有移動方便、皮帶防跑偏等功能。機身通過優化設計，有效避免大跨距時機身的下沉。整機利用電動滾筒方式可使設備的裝機功率達到37kW，運輸能力為1000 t/h，搭接行程為20 m，有效輸送長度為33.4 m，輸送帶速度能達到3.15 m/s。

3.3 邁步自移機尾匹配設計

掘進系統中選用了DWZY800/1200 型邁步自移機尾裝置，該裝置的裝機功率為55 kW，供電電壓為1 140 V，運輸能力達到1 000 t/h，側移油缸行程為1 200 mm，最大能自移適應8°的巷道坡度，設備如圖3 所示。此設備自帶動力源，可自適應巷道的起伏變化，無需退機拉移、打地錨，可實現機身自移；同時，無需反復撐頂即可實現整機的抬升、推移、調偏；可布置移變、電纜車、材料車等，減少輔助設備拖移工序；可實現遠程遙控操作。

圖3 DWZY800/1200 型邁步自移機尾裝置

4 掘進控制系統的設計

在此類掘進系統的控制功能中，掘進設備需具備完善的傳感器、執行器及控制器，能實現單系統或單設備的遠程自動控制、工況在線監測、故障診斷功能；同時，運輸設備轉載機組具備過載保護功能，帶式輸送機機尾具備自移和張力自動控制功能；也能實現掘進工作面環境（粉塵、瓦斯、水等）智能監測功能，并具備監測環境數據智能分析，以及掘、錨、運、支工序的智能聯動等。

針對這些功能要求，在整個控制系統中設計了工況監控和故障診斷分系統，以實時獲取工況參數，音視頻信息采集、存儲、抓取、回放早期微弱故障預診斷及遠程運維等。同時，所設計的人員防入侵分系統能實時檢測設備與設備、設備與人員之間相對位置；結合人員紅外防入侵技術實現未佩戴標識卡人員進入工作面時安全預警及保護停機功能。此系統的報警范圍最大100 m，設備聲光報警，標識卡聲音報警+振動報警；可對標識卡分類管理，具有設置特殊權限的功能（例如：設置駕駛員在本機危險區域免報警）。另外，自主導航系統通過組合導航（慣導、全站儀）方式實現機身定位定向，并獲得巷道坐標系下機身6 個自由度的實時數據，機身相對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距離，機身相對于巷道的橫滾角、俯仰角和偏航角，自主行走、自主截割。掘進系統中自主導航系統界面如圖4 所示。

圖4 自主導航系統顯示界面圖

5 掘進系統的工程應用

2020 年7 月—9 月，利用EBZ220M 型懸臂式掘進機（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10 081 根，錨索支護3 150根，進尺1 008 m，9 月份月進尺由原來的最高246 m提高到506 m，創劉莊煤礦單月單面最好成績，如下頁圖5 所示。同時，系統中的監控系統能將整個工作面中相關設備的運行狀態及各類數據參數在智能化監控平臺上進行實時顯示。如下頁圖6 所示，所實現的功能包括：掘進工作面工況監控與故障診斷、井下集中遠程控制、地面調度室遠程可視控制、自動截割、自主行走、一鍵啟停、三維動態顯示、多機協同聯動等，整體智能化程度相對較高，運行較為穩定，各項指標達到了相應智能化系統建設的考核要求，達到了預期效果。

圖5 傳統工藝與新工藝下順槽進尺效果對比圖

圖6 智能掘進系統監控中心

6 結語

智能化掘進系統的建設是提高煤礦產量、減少人員勞動強度、提高作業現場安全性的重要發展方向，為此重點分析了當前相關政策規定及智能化建設的評價方法，開展了基于多款智能化煤礦生產設備的智能化掘進系統建設，并重點對系統中的EBZ220M 雙錨掘進機、邁步自移機尾、控制系統等方面進行了設計研究，通過將此掘進系統在工程中進行實際應用測試，得出：該智能化掘進系統提高了錨桿的作業效率，能更加智能化地實現對工作面中各類設備運行狀態的實時監測及遠程控制，整體智能化程度相對較高，運行較為穩定，各項指標達到了相應智能化系統建設的考核要求。此研究對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。