探究煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

姚樹陽(yáng) 劉敬斌 張峰

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦 山東菏澤 274705）

礦山巷道的開鑿技術(shù)即煤礦掘進(jìn)技術(shù)，煤礦采集質(zhì)量與效率受到煤礦掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用水平的直接影響。隨著科技的不斷發(fā)展，煤礦掘進(jìn)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，煤礦掘進(jìn)領(lǐng)域逐步應(yīng)用智能化和信息技術(shù)手段，這非常有利于煤礦生產(chǎn)技術(shù)和裝備的升級(jí)和轉(zhuǎn)型發(fā)展。基于此，探究煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用顯得非常有意義。

1 煤礦掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

基于煤礦采集模式和技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，煤礦掘進(jìn)技術(shù)不斷升級(jí)。煤礦采掘在煤礦生產(chǎn)中涵蓋了主導(dǎo)流程和輔助流程，其中，主導(dǎo)流程能夠直接在工作面進(jìn)行，而確保主導(dǎo)流程順利開展的是輔助流程。煤礦生產(chǎn)中的掘進(jìn)技術(shù)對(duì)開采數(shù)量和質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。當(dāng)今煤礦掘進(jìn)重點(diǎn)應(yīng)用兩種方式，即機(jī)械掘進(jìn)和一體式掘進(jìn)方式。其中，機(jī)械掘進(jìn)方式主要應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)和綜合性掘進(jìn)機(jī)械，如PLC控制技術(shù)和懸臂式掘進(jìn)機(jī)［1］。而一體化掘進(jìn)方式有著掘錨一體化的特性，能夠使協(xié)同控制、同時(shí)支護(hù)、迅速掘進(jìn)、不間斷輸送的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在工作實(shí)踐中，煤礦掘進(jìn)中會(huì)應(yīng)用信息化技術(shù)手段，從而大大提升了掘進(jìn)設(shè)備的智能化與自動(dòng)化水平，具備非常強(qiáng)的穩(wěn)定性和優(yōu)勢(shì)。總而言之，煤礦企業(yè)中逐步廣泛地應(yīng)用迅速掘進(jìn)系統(tǒng)，這不僅能有效降低掘進(jìn)工作負(fù)荷及人工掘進(jìn)作業(yè)量，而且顯著提高了巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量。對(duì)煤礦開采而言，智能掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新非常有利于一體化掘進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)步。

2 煤礦智能化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展瓶頸

盡管智能化掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是煤礦掘進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)及方向，可是縱觀實(shí)際情況而言，當(dāng)前技術(shù)和理論上的缺陷難以使全面智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化的煤礦掘進(jìn)得以實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)煤礦智能化掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展存在以下不足。

第一，掘進(jìn)工程具備復(fù)雜的開展條件。掘進(jìn)工作質(zhì)量的主要影響因素是掘進(jìn)環(huán)境，國(guó)內(nèi)煤層賦存具備非常復(fù)雜的狀況，因此，掘進(jìn)工作環(huán)境的特點(diǎn)是機(jī)械化生產(chǎn)困難、圍巖控制難度大、安全系數(shù)低等［2］。地質(zhì)狀況的復(fù)雜化導(dǎo)致智能化掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)性和不確定性增加，設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

第二，施工流程太過繁瑣難以提高采掘效率。基于智能掘進(jìn)作為視角來(lái)講，傳統(tǒng)的巷道掘進(jìn)流程過多，一系列串行流程一方面占用了作業(yè)人員的數(shù)量和成巷的時(shí)間，另一方面阻礙了智能掘進(jìn)技術(shù)的有序應(yīng)用，從而使施工進(jìn)度減慢。

第三，煤礦綜采工作面自動(dòng)找直難以實(shí)現(xiàn)。縱觀綜采工作面的具體應(yīng)用現(xiàn)狀而言，很多時(shí)候工作面的自動(dòng)找直還難以實(shí)現(xiàn)，這主要是因?yàn)橐琅f應(yīng)用相對(duì)位移和行程的測(cè)量技術(shù)，測(cè)量精度較低，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的標(biāo)準(zhǔn)，因此，亟需深入研究精準(zhǔn)的找直技術(shù)，一些技術(shù)難題依舊未曾實(shí)現(xiàn)理想的攻克效果。為此，這還需要持續(xù)開展三維地質(zhì)模型的模擬工作。并且，當(dāng)今應(yīng)用的自動(dòng)化開采配套設(shè)施難以實(shí)現(xiàn)綜采智能化技術(shù)的要求，因此，相關(guān)設(shè)備從某種程度上阻礙了智能化技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展［3］。

第四，煤礦綜采工作面存在來(lái)回滑動(dòng)的情況。縱觀當(dāng)今綜采工作面智能化應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀而言，由于綜采工作面生產(chǎn)受到外部地質(zhì)條件等要素的制約，因此，運(yùn)行過程中的刮板運(yùn)輸機(jī)整體存在來(lái)回滑動(dòng)的情況，這會(huì)使刮板運(yùn)輸機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的互相搭接受到不利影響，造成輸煤不順利的現(xiàn)象，從而不利于煤礦安全生產(chǎn)。在將來(lái)應(yīng)注重轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)檢測(cè)方面的探究，能夠選用偽傾斜的手段有效地處理上述問題。并且，當(dāng)前時(shí)期的綜采發(fā)展面自動(dòng)化綜合技術(shù)能力還比較低，在應(yīng)用智能化技術(shù)時(shí)難以有效、統(tǒng)一地監(jiān)測(cè)與控制工作面巷道，且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“三機(jī)”不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象［4］。

3 煤礦智能掘進(jìn)設(shè)備以及技術(shù)的應(yīng)用

為了有序開展智能采掘工作，企業(yè)務(wù)必提升掘進(jìn)設(shè)施的穩(wěn)定性與可靠性，以及有關(guān)設(shè)備可以跟復(fù)雜的工況條件相適應(yīng)，能夠進(jìn)行自主決策與運(yùn)行，從而可以協(xié)同開展大量的工作內(nèi)容［5］。

3.1 煤礦智能掘進(jìn)設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用

山特維克公司擁有的智能化掘進(jìn)設(shè)備比較先進(jìn)和成熟，此公司制造的DD系列掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車和MB670系列掘錨一體機(jī)都是備受有關(guān)單位矚目的智能掘進(jìn)設(shè)備［6］。

第一，掘錨一體機(jī)的應(yīng)用。掘錨一體即屬于非常多見的一種智能化掘進(jìn)設(shè)備，其屬于一種能夠同時(shí)進(jìn)行截割、裝載、輸送、錨固的一體化設(shè)備，其應(yīng)用較為廣泛。作為山特維克公司的專利性產(chǎn)品，MB670系列掘錨一體機(jī)具備一次成巷及全斷面截割的功能，這非常有助于煤礦掘進(jìn)效率和質(zhì)量的提升。其中，PLC控制系統(tǒng)涵蓋于設(shè)備中，能夠保證穩(wěn)定和迅速掘進(jìn)，以及智能化、自動(dòng)化作業(yè)實(shí)現(xiàn)。

第二，掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車的應(yīng)用。作為一種智能化掘進(jìn)設(shè)備，該公司制造的DD系列掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車具備很多的型號(hào)，如DD321、DD421、DD422i 等掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車。其中，DD422i掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車應(yīng)用了智能化控制系統(tǒng)，在規(guī)模較小的巷道鉆孔和掘進(jìn)工程中得以廣泛地應(yīng)用。此機(jī)械設(shè)備在鉆孔方面可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以及其工作臂控制和人機(jī)交互界面非常理想，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備掘進(jìn)性能的顯著提高。掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車在應(yīng)用過程中還能夠通過智能臂架對(duì)鉆孔進(jìn)行高精準(zhǔn)的定位，從而為鑿巖工具和鉆頭等提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航。此外，自動(dòng)并行性探測(cè)儀器（測(cè)量鉆孔角度）還安裝在該設(shè)備上。

第三，自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用。為了提升采掘的協(xié)同化、智能化水平，此企業(yè)研制了AUTOMINE設(shè)備的自動(dòng)化及遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠自動(dòng)化控制生產(chǎn)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)礦井智能掘進(jìn)設(shè)備的實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程控制。

3.2 煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

在應(yīng)用智能掘進(jìn)技術(shù)上，其需要提升應(yīng)用的合理化與科學(xué)化水平，以及落實(shí)相應(yīng)的保障舉措，以使最為理想的使用效果實(shí)現(xiàn)。鑒于此，應(yīng)用智能掘進(jìn)技術(shù)需要立足于高效化智能掘進(jìn)技術(shù)及智能掘進(jìn)保障技術(shù)的應(yīng)用。

首先，高效化智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。智能掘進(jìn)設(shè)備具備愈強(qiáng)的性能，則愈加有利于掘進(jìn)智能化水平的提升。連續(xù)采煤機(jī)的應(yīng)用能夠通過變頻調(diào)速技術(shù)、掘進(jìn)定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確和快速地掘進(jìn)。在此過程中，慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng)（機(jī)械設(shè)備具備的）能夠很好地確保掘進(jìn)方向的控制，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用有助于有效采煤的持續(xù)化開展，以及提升了設(shè)備使用的安全系數(shù)。迅速定位找眼技術(shù)也屬于智能掘進(jìn)技術(shù)的范疇，大部分的一體化掘錨設(shè)備都具備迅速找眼的功能，從而實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)效率的提升和臨時(shí)支護(hù)時(shí)長(zhǎng)的縮短。有效統(tǒng)一智能掘進(jìn)設(shè)備和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)、AUTOMINE 設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)、BIM 技術(shù)、迅速掘進(jìn)技術(shù)等，能夠一起建構(gòu)智能掘進(jìn)的重要技術(shù)體系，從而確保智能掘進(jìn)的高效進(jìn)行。

其次，智能掘進(jìn)保障技術(shù)的應(yīng)用。智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用少不了智能掘進(jìn)保障技術(shù)，在智能掘進(jìn)技術(shù)體系中，智能保障技術(shù)屬于非常關(guān)鍵的一個(gè)組成部分。具體來(lái)講，主要包括以下幾種技術(shù)的應(yīng)用。第一，穩(wěn)定性技術(shù)，即確保掘進(jìn)設(shè)備具備穩(wěn)定性能的技術(shù)，此技術(shù)也屬于智能掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)。此技術(shù)涵蓋了穩(wěn)定性建模、分配、分析等，在具體應(yīng)用時(shí)，有關(guān)工作者能夠應(yīng)用此技術(shù)建構(gòu)仿真性能監(jiān)控及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合智能掘進(jìn)設(shè)備的壽命仿真和耐久性實(shí)驗(yàn)，能夠清楚設(shè)備的應(yīng)用年限和性能，并且還能夠模擬分析智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用效果等。第二，在線感知技術(shù)，在智能掘進(jìn)保障技術(shù)中，在線感知技術(shù)具備舉足輕重的地位和作用，工作者應(yīng)用此技術(shù)可以對(duì)巷道圍巖的情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而智能化判斷圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。具體來(lái)講，能夠應(yīng)用地質(zhì)勘探技術(shù)和探測(cè)技術(shù)獲得有價(jià)值的信息資源，像是應(yīng)用激光掃描、三維四幀可視化解釋和反演、遙感等技術(shù)對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行采集，從而奠定迅速鉆進(jìn)決策和智能化分析工作的良好基礎(chǔ)。第三，時(shí)效控制技術(shù)，對(duì)于智能化掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用而言，其需要掘進(jìn)設(shè)備搞好圍巖的時(shí)效控制。這種情況下能夠以智能感知取代熱工感知，這樣可以尤為具體、綜合、高效地分析圍巖情況，也可以對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)感知信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)化地分析。其中，在圍巖時(shí)效性的控制方面，工作者能夠應(yīng)用智能支護(hù)技術(shù)（像是實(shí)施高預(yù)應(yīng)力錨固的手段減小支護(hù)密度）確保智能掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)理想的效果和提升圍巖控制質(zhì)量。需要注意的是，在此環(huán)節(jié)也能夠應(yīng)用圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，以確保智能掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的有效優(yōu)化。第四，是高效截割技術(shù)。對(duì)智能掘進(jìn)設(shè)備截割結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也屬于有效應(yīng)用和創(chuàng)新智能掘進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)。在工作實(shí)際中，技術(shù)工作者需要合理評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)滾筒的性能，以實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性與耐磨性的顯著提升。當(dāng)然，截割穩(wěn)定性的開展還要求有關(guān)工作者有效地應(yīng)用多傳感器信息融合技術(shù)，這樣可以對(duì)截割穩(wěn)定性進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)控。除此之外，還能夠應(yīng)用全寬截割技術(shù)，使自動(dòng)截割的目標(biāo)真正實(shí)現(xiàn)，以及確保掘進(jìn)自動(dòng)化及智能化水平的大大提升。

4 煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用建議

對(duì)于礦井綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)而言，其需要具備高效掘進(jìn)的效果，可以在煤巖迅速掘進(jìn)裝備中應(yīng)用。其能夠劃分為掘進(jìn)、輸送、支護(hù)等流程，結(jié)合新技術(shù)手段的應(yīng)用，可以有效解決支護(hù)、輸送、掘進(jìn)的有關(guān)問題，從而實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)行的高效化與一體化。掘進(jìn)機(jī)有著遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位切割的功能，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及錨桿機(jī)運(yùn)行參數(shù)的顯著優(yōu)化，然而，需要注意的是，應(yīng)將若干檢查人員預(yù)留在工作面。為了使掘進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)使遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)截割、遠(yuǎn)程遙控等一系列功能真正實(shí)現(xiàn)。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控得益于數(shù)據(jù)通信鏈路的順暢性及掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的可控性。自動(dòng)截割能夠確保掘進(jìn)機(jī)的控制精度達(dá)標(biāo)、位置檢測(cè)可信性提升。智能化截割可以確保自動(dòng)截割的高效和穩(wěn)定運(yùn)行，從而有助于大大拓展空間和提升開采效率。并且，需要不斷對(duì)掘進(jìn)工藝適應(yīng)性進(jìn)行完善和創(chuàng)新，根據(jù)地質(zhì)條件狀況有效調(diào)控掘進(jìn)機(jī)器人的操作安全性及掘進(jìn)速度。通常而言，相關(guān)操作都無(wú)需人工干預(yù)。遠(yuǎn)程控制的掘進(jìn)工作面牽涉的機(jī)械設(shè)備是礦井掘錨機(jī)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、錨桿鉆車等，并且設(shè)置供電和通信控制設(shè)備以及通風(fēng)除塵設(shè)施等，從而可以建構(gòu)高效、快速的掘進(jìn)系統(tǒng)，以使輸送、支護(hù)、掘進(jìn)的一體化實(shí)現(xiàn)。總之，新試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)組可以體現(xiàn)協(xié)同控制、自主運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)控、核心單機(jī)裝備的功能，從而可以實(shí)現(xiàn)煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)的自動(dòng)化、數(shù)字化及信息化水平。在應(yīng)用煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)時(shí)，要求工作者注重技術(shù)應(yīng)用效果的提升，構(gòu)建相應(yīng)的配套工作方式，像是建構(gòu)多流程的協(xié)同管理方式，確保各個(gè)流程（裝載、掘進(jìn)、錨固、輸送等）能夠開展模式化或者是成套化的作業(yè)形式。在此過程中，還需要主動(dòng)建構(gòu)穩(wěn)定通信渠道及多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)等，從而做好智能化控制的準(zhǔn)備工作。其中，穩(wěn)定的通信系統(tǒng)重點(diǎn)體現(xiàn)采集及傳輸信息的特色功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互效果的提升，從而有助于智能化生產(chǎn)作業(yè)決策的合理性。當(dāng)然，煤礦掘進(jìn)工作中應(yīng)用智能化掘進(jìn)技術(shù)，還應(yīng)密切聯(lián)系遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，確保對(duì)礦井施工設(shè)備的控制。有關(guān)工作者在應(yīng)用智能化掘進(jìn)技術(shù)時(shí)，也應(yīng)由技術(shù)管理和發(fā)展作為視角進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用，其中，以技術(shù)發(fā)展視角而言，掘進(jìn)技術(shù)工作者應(yīng)立足于實(shí)際，實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新、優(yōu)化、改進(jìn)。以技術(shù)應(yīng)用管理作為視角而言，工作者應(yīng)立足于施工環(huán)境和法規(guī)體系，優(yōu)化管理智能掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，像是對(duì)智能掘進(jìn)技術(shù)的有關(guān)專利予以保護(hù)，以激發(fā)企業(yè)的研發(fā)積極主動(dòng)性，從而輔助于智能掘進(jìn)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，并且健全行業(yè)規(guī)范，確保智能掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用規(guī)范性的提升。與此同時(shí)，應(yīng)注重智能化示范性煤礦的建設(shè)。我國(guó)可以評(píng)選和建設(shè)智能化示范性煤礦，對(duì)一些典型做出嚴(yán)格要求和管理，特別是制定具體的掘進(jìn)智能化技術(shù)措施，且定期進(jìn)行考評(píng)，從而形成能夠復(fù)制的、可以借鑒的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，這樣可以在全國(guó)推廣和應(yīng)用。此外，應(yīng)健全有關(guān)的法規(guī)體系，國(guó)家需要健全煤礦智能化發(fā)展和應(yīng)用的有關(guān)法規(guī)體系，從法律上支持煤礦掘進(jìn)技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，有效解決當(dāng)今有關(guān)法規(guī)體系影響煤礦智能化發(fā)展的問題，從而創(chuàng)設(shè)理想的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新氣氛。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤炭企業(yè)越來(lái)越朝著技術(shù)密集型的方向發(fā)展和進(jìn)步，煤炭智能開采技術(shù)的有效應(yīng)用，不但能夠?qū)ΦV井作業(yè)人數(shù)進(jìn)行有效控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。煤礦掘進(jìn)技術(shù)越來(lái)越發(fā)展為一體化、高效化、自動(dòng)化、智能化方向，煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，非常有助于煤礦生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提升。當(dāng)今大量的煤礦智能掘進(jìn)設(shè)備被研發(fā)，智能掘進(jìn)技術(shù)也持續(xù)發(fā)展。鑒于此，煤礦企業(yè)不但應(yīng)科學(xué)選用智能化掘進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，而且需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)理想的研發(fā)環(huán)境條件，從而助推技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。