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如何補齊煤礦智能化掘進短板?聽院士專家怎么說

中國煤炭報 作者:王世雅 2020-12-24 15:59:09

智能為王“掘”勝千里(上)

編者按:作為生產的重要環節,煤礦掘進速度和巷道質量直接關系到礦井合理的生產布局、穩定的采掘接續,關系到重大災害超前治理、系統保障能力提升。相比采煤工作面,我國智能化掘進技術雖然取得了顯著進步,但整體效率偏低,發展極不平衡,成為制約煤礦安全高效生產的關鍵。如何補齊短板,業內專家與部分企業開展了一系列探索研究。


攻堅煤礦掘進技術 補齊智能化建設短板

核心閱讀

截至今年8月底,全國煤礦建成智能化掘進工作面123個。智能化掘進工作面主要模式為基于懸臂式掘進機的智能綜掘工作面和基于掘錨一體機的智能快速掘進系統。

智能快掘不是純粹的工序疊加,也不是“人少能力強”,而是“人—機—環—管”的高度融合。重視掘進工作、加大資金和裝備投入、加強人才培養、提升管理水平是關鍵。


1951年,大同礦務局的“馬連掘進組”創下當時全國手工掘進的最高紀錄——月進318.71米。那時,礦工們應該想象不到:69年后,懸臂式掘進機、掘錨一體機、TBM等大型采掘裝備代替了人工,井下甚至出現了智能掘進機器人的身影。

記者從11月26日召開的全國煤礦快速掘進現場交流會上了解到,近年來,我國煤礦不斷探索符合實際條件的掘進模式,持續擴大掘進裝備生產經營規模,重大技術裝備研制取得顯著成果,智能采掘技術進展明顯。掘進技術不僅成為煤礦安全高效生產的共性關鍵技術,更是補齊煤礦智能化建設的關鍵短板。


形成符合我國煤礦實際的掘進模式

目前,我國煤礦掘進形成了以鉆爆法、綜掘法(包括連采機工法、掘錨一體機工法)和TBM工法(盾構法)為主的發展模式,智能化掘進工作面嶄露頭角

采掘接續影響煤礦的安全高效開采。新中國成立以來,我國煤炭行業逐漸形成“采掘并舉,掘進先行”的生產理念,總結并推廣了當時大同礦務局、京西礦務局巖石掘進,徐州礦務局綜掘,新汶礦務局和淮北礦務局光爆錨噴支護等經驗,開展了先進采掘隊組和特別能戰斗的隊伍 (掘進隊)競賽達標等活動。

煤礦掘進逐漸走向機械化,裝備制造水平不僅滿足了國內市場需求,也基本結束了依靠進口的局面。1976年,我國第一臺煤巷掘進機成功下線。1978年,煤礦掘進機械化率為14.5%,2018年提高到60.4%,保障了煤炭的生產供應。如今,我國煤礦掘進機已具備年產2500余臺的制造能力。

中國煤科北京中煤自主研發、天地奔牛參與制造的國內首臺豎井掘進機入井

據中國煤炭工業協會副會長孫守仁介紹,近年來,全斷面高效掘進機、復合式盾構機、全斷面矩形快速掘進機、全斷面硬巖掘進機、大傾角盾構機等重大裝備研制成功,在開采條件簡單的大斷面、長距離的煤(巖)巷初步實現了快速掘進。

目前,我國煤礦掘進形成了以鉆爆法、綜掘法(包括連采機工法、掘錨一體機工法)和TBM工法 (盾構法)為主的發展模式。鉆爆法技術相對成熟、成本低,但掘進效率低、工藝繁瑣、安全性低;綜掘法目前應用最廣泛,主要有綜掘機掘進、連續采煤機掘進和掘錨一體化掘進3種方式;礦用TBM工法已在個別煤礦得到應用。

2019年7月,國內首臺煤礦大直徑大埋深全斷面盾構機“新礦1號”在山東能源新礦集團新巨龍公司井下-980米全巖巷道順利應用。新巨龍公司總經理李偉表示,“新礦1號”集掘進、出渣、支護、除塵、通風等功能于一體,標志著煤礦巖巷掘進機在大直徑、大埋深、復雜地層施工方面實現新突破。

近年來,我國智能化掘進工作面嶄露頭角。《煤礦機器人研發重點目錄》提出了9種掘進類機器人的研發應用要求。《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》指出,要基本實現掘進工作面減人提效。

據統計,截至今年8月底,全國煤礦建成智能化掘進工作面123個。智能化掘進工作面主要模式為基于懸臂式掘進機的智能綜掘工作面和基于掘錨一體機的智能快速掘進系統。基于懸臂式掘進機的智能綜掘工作面以自動截割為主、遠程干預為輔;基于掘錨一體機的智能快速掘進系統具有超前鉆探、精確定位、自主導航、自動截割、自動支護、連續轉載、泡沫除塵、遠程集控等功能。

兗州煤業股份有限公司從2019年起,在本部及鄂爾多斯能化公司全面推進智能掘進工作面建設工作,目前累計建成了24個重點掘進工作面。其中,鮑店煤礦7304膠帶順槽建成的智能掘錨工作面,實現了復雜地質條件下的安全高效掘進。

國家能源集團神東煤炭集團上灣煤礦8.8米超大智能綜采工作面檢修現場


傳統掘進格局尚未打破掘進技術發展不平衡

煤礦間發展差距較大,后配套系統效率較低,關鍵制造裝備能力不足,核心技術和基礎研究短板明顯,掘進工藝有待優化,部分企業“重采煤、輕掘進”現象存在,職工素質有待提升

“我們煤礦掘進工作雖取得了一點成績,但更應該如履薄冰、居安思危,充分認識存在的問題。”孫守仁指出。

數據顯示,2019年我國83%的煤炭產量來自井工開采,若平均按50米的萬噸掘進率計算,掘進工程量超過1.5萬公里。其中,煤巷、半煤巖巷約占總掘進工程量的70%。我國煤礦掘進面有1.6萬個,支護、輔助運輸等環節高度依賴人工;掘進面水、瓦斯、頂板、粉塵、沖擊地壓嚴重威脅人員安全,頂板事故起數與死亡人數占事故總起數和死亡人數的比率均超50%。

我國煤礦賦存條件千差萬別,造成了掘進技術發展的不平衡。據了解,陜北、神東等礦區頂板條件好、圍巖完整,最高月進尺超過3000米。占全國約90%的一般及復雜地質條件礦井,圍巖松軟破碎,平均月進尺不足200米。

中國工程院院士康紅普指出,根據地質條件,可將我國現有掘進與支護技術發展類型分為三類,較好條件煤巷掘進、一般及復雜條件煤巷掘進和巖巷掘進。

較好條件煤巷掘進構造少、煤系地層完整,主要采用掘錨機組+后配套方式(單巷)、連采機+錨桿臺車(雙巷)掘進方式,如陜煤榆北煤業公司形成的適用該公司不同地質條件的四類快掘成套裝備,可實現月單進平均1500米。

一般及復雜條件煤巷掘進構造較多、圍巖強度低、完整性差,錨桿及時支護與施加高預應力是關鍵。掘進方式主要為懸臂式掘進機+單體錨桿鉆機、懸臂式掘進機+臨時支架+錨桿臺車,懸臂式掘錨一體機等。其中,懸臂式掘進機+單體錨桿鉆機掘進方式為我國主要的掘進支護方式,全國平均月進尺180米,如山西、山東與兩淮地區的煤礦。

巖巷掘進則有炮掘、TBM、重型懸臂式掘進機。如煤礦全斷面硬巖掘進機經改造后,應用于華陽新材料科技集團新景礦,最高月進尺562米。

“煤礦掘進與支護作業存在一些關鍵難題,缺乏有效的臨時支護、大部分條件掘支不能平行作業、錨桿和錨索支護施工時間長、單機自動化程度低和多機協作能力差、機械設備可靠性差和整體開機率低等。”康紅普說。

此外,部分企業對掘進工作認識不到位,“重采煤、輕掘進”現象存在。比如,掘進工作勞動強度大、環境惡劣、危險性高,但工人待遇趕不上采煤工;一些單位對掘進投入相對不足,許多掘進設備超期服役;連續采煤機掘進、掘錨一體化掘進、盾構法掘進等方式,尚未得到大量推廣應用。

傳統綜掘工藝雖在設備上實現了截割、運煤的機械化或半機械化作業,但其他工藝環節仍大量依靠人工作業,嚴重影響了掘進效率和安全。如掘支運不能平行作業,而且在沖擊地壓、高瓦斯、深部等復雜條件礦井,支護耗時更多;后配套系統特別是通風、除塵、安全監控、壓風、供水、供電等,缺乏統一設計與服務,無法高效協同運轉。

“目前,我國傳統掘進格局尚未打破,煤礦間發展差距較大,后配套系統效率較低,關鍵制造裝備能力不足,核心技術和基礎研究短板明顯,掘進工藝有待優化,職工素質有待提升。”孫守仁表示。

國內首套大傾角礦用巖巷盾構機在淮北礦業集團袁店二礦入井安裝 黃世鵬 攝


開展有針對性的集中攻關研究

針對我國不同的地質條件,開展有針對性的集中攻關研究,形成不同形式的快速掘進、支護技術與裝備,使掘支作業由主要依靠人工到全面機械化,再到自動化和智能化

煤礦掘進不僅關乎效率,更與礦工安全與健康息息相關。數據顯示,目前我國煤礦從業人員中,從事采煤、掘進、運輸等危險繁重崗位人員占比在60%以上,其中直接從事掘進作業的人員約30萬人。

多年來,企業粉塵危害防治經費投入相對不足,控除塵技術單一、現場管理不到位、工人個體防護意識不強等問題較為突出。據中國煤礦塵肺病防治基金會統計,我國塵肺病患者達80多萬人,其中60%以上在煤礦,且每年約以3萬例的速度在遞增。有的煤礦掘進工作面粉塵濃度在每立方米2000毫克至3000毫克,呼吸性粉塵濃度在每立方米50毫克至60毫克,遠超國家標準。

“我們一定要統一思想,凝聚共識,全力構建一個安全、高效、綠色、智能的現代化煤礦掘進新體系。”孫守仁說。

如何構建現代化煤礦掘進新體系?在全國煤礦快速掘進現場交流會上,很多企業代表表示,重視掘進工作、加大資金和裝備投入、加強人才培養、提升管理水平是關鍵。

“智能快掘不是純粹的工序疊加,也不是‘人少能力強’,而是‘人—機—環—管’的高度融合。”榆北煤業公司總經理石增武說。

此次全國煤礦快速掘進現場交流會選址在陜煤集團榆北煤業公司。近年來,該公司秉承“掘進先行”的理念,成立智能化建設工作領導小組,依托工程研究中心和博士后流動工作站,加大與中國礦業大學、中鐵建集團、西煤機等單位的跨界合作力度,成立了“王劍智能快速掘進”團隊。他們通過將快速掘進技術與物聯網、云計算、大數據、機器人等深度融合,建立了集感知、分析、自學習、預測、決策與控制于一身的完整的智能系統,整合掘—鋪—支—運全過程。截至目前,該集團對智能快掘裝備改造工作累計投入超過3000萬元。

“巷道掘進與支護已成為煤礦自動化、智能化建設的短板。必須針對我國不同的地質條件,開展有針對性的集中攻關研究,形成不同形式的快速掘進、支護技術與裝備,使掘支作業由主要依靠人工到全面機械化,再到自動化和智能化。”康紅普說。

針對重點技術,康紅普建議,在煤礦巷道圍巖分類的基礎上,分類開發適應不同圍巖條件的快速掘進與支護技術及裝備;開發掘進工作面高精度定位導航;開展掘進工作面臨時主動、自動化支護技術與裝備研發;開展錨桿支護工藝變革,推動錨桿自動化鉆裝技術發展;開展巷道圍巖穩定性實時監測、預警、反饋、決策、控制技術研究;開展超前探測、掘進、支護、運輸、通風、降塵等快速成巷的全系統自動化、智能化升級,以大幅提高掘進速度與效率。

國內首臺大直徑煤礦巖巷全斷面掘進機下線

為提高瓦斯治理巖巷掘進速度和突出煤巷單進水平,給瓦斯治理提供充足時間與空間,中國平煤神馬能源化工集團副總經理張建國表示,該集團在全國深井煤礦巖巷施工率先引進用于地鐵隧道的懸臂式大功率硬巖掘進機,推廣應用具有轉速快、扭矩大、推力足等優勢的液壓錨桿鉆車;聯合重慶大學等單位展開攻關,建成具有一鍵啟停、遠程操控、無人切割的智能化掘進機,并實現智能化掘進機、液壓錨桿鉆車、膠輪車、膠帶輸送機、局部通風機等設備的有機配套和集中控制,所有設備均可一鍵啟動。

智能掘進是發展方向。中國鐵建重工集團煤礦裝備研究院院長張廷壽指出,煤礦智能化快速掘進技術重點包括精準定位、自動導航、超前鉆探、自動截割、自動支護、連續轉載、故障預診、遠程集控。不過,目前,我國智能快掘工作面普遍沒有實現集中控制和遠程操作,實質屬于機械化、自動化掘進,距離完全的無人化掘進、無人自動錨護等還有一定距離。

華陽新材料科技集團曾試用過懸臂式掘進機加裝機載錨桿鉆機、掘錨一體化快速掘進作業線、煤巷矩形護盾式掘錨機等設備,均未收到良好效果。2020年,華陽新材料科技集團在大斷面厚煤層順槽巷道試用雙鉆臂掘錨護一體機,效果良好。該集團有關負責人表示,“快掘系統必須滿足一定條件才能發揮其性能”。

華陽新材料科技集團試用掘錨護一體機 李斌斌 攝

“我們既要加強頂層設計,大膽融合5G、物聯網、工業互聯網等技術,盡快突破智能化少人無人掘進技術,也要深刻認識到實現智能掘進的長期性和復雜性,做好長期攻堅的準備。”孫守仁建議。(本報記者王世雅)

(未署名圖片為資料圖片)

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