如何补齐煤矿智能化掘进短板?听院士专家怎么说

2021-01-11 09:46:19 amagi 2
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智能为王“掘”胜千里


作为生产的重要环节,煤矿掘进速度和巷道质量直接关系到矿井合理的生产布局、稳定的采掘接续,关系到重大灾害超前治理、系统保障能力提升。相比采煤工作面,我国智能化掘进技术虽然取得了显著进步,但整体效率偏低,发展极不平衡,成为制约煤矿安全高效生产的关键。如何补齐短板,业内专家与部分企业开展了一系列探索研究。

攻坚煤矿掘进技术
补齐智能化建设短板
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核心阅读

截至今年8月底,全国煤矿建成智能化掘进工作面123个。智能化掘进工作面主要模式为基于悬臂式掘进机的智能综掘工作面和基于掘锚一体机的智能快速掘进系统。

智能快掘不是纯粹的工序叠加,也不是“人少能力强”,而是“人—机—环—管”的高度融合。重视掘进工作、加大资金和装备投入、加强人才培养、提升管理水平是关键。


1951年,大同矿务局的“马连掘进组”创下当时全国手工掘进的最高纪录——月进318.71米。那时,矿工们应该想象不到:69年后,悬臂式掘进机、掘锚一体机、TBM等大型采掘装备代替了人工,井下甚至出现了智能掘进机器人的身影。

记者从11月26日召开的全国煤矿快速掘进现场交流会上了解到,近年来,我国煤矿不断探索符合实际条件的掘进模式,持续扩大掘进装备生产经营规模,重大技术装备研制取得显著成果,智能采掘技术进展明显。掘进技术不仅成为煤矿安全高效生产的共性关键技术,更是补齐煤矿智能化建设的关键短板。


模式
形成符合我国煤矿实际的掘进模式

目前,我国煤矿掘进形成了以钻爆法、综掘法(包括连采机工法、掘锚一体机工法)和TBM工法(盾构法)为主的发展模式,智能化掘进工作面崭露头角。

采掘接续影响煤矿的安全高效开采。新中国成立以来,我国煤炭行业逐渐形成“采掘并举,掘进先行”的生产理念,总结并推广了当时大同矿务局、京西矿务局岩石掘进,徐州矿务局综掘,新汶矿务局和淮北矿务局光爆锚喷支护等经验,开展了先进采掘队组和特别能战斗的队伍 (掘进队)竞赛达标等活动。

煤矿掘进逐渐走向机械化,装备制造水平不仅满足了国内市场需求,也基本结束了依靠进口的局面。1976年,我国第一台煤巷掘进机成功下线。1978年,煤矿掘进机械化率为14.5%,2018年提高到60.4%,保障了煤炭的生产供应。如今,我国煤矿掘进机已具备年产2500余台的制造能力。

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中国煤科北京中煤自主研发、天地奔牛参与制造的国内首台竖井掘进机入井

据中国煤炭工业协会副会长孙守仁介绍,近年来,全断面高效掘进机、复合式盾构机、全断面矩形快速掘进机、全断面硬岩掘进机、大倾角盾构机等重大装备研制成功,在开采条件简单的大断面、长距离的煤(岩)巷初步实现了快速掘进。

目前,我国煤矿掘进形成了以钻爆法、综掘法(包括连采机工法、掘锚一体机工法)和TBM工法 (盾构法)为主的发展模式。钻爆法技术相对成熟、成本低,但掘进效率低、工艺繁琐、安全性低;综掘法目前应用最广泛,主要有综掘机掘进、连续采煤机掘进和掘锚一体化掘进3种方式;矿用TBM工法已在个别煤矿得到应用。

2019年7月,国内首台煤矿大直径大埋深全断面盾构机“新矿1号”在山东能源新矿集团新巨龙公司井下-980米全岩巷道顺利应用。新巨龙公司总经理李伟表示,“新矿1号”集掘进、出渣、支护、除尘、通风等功能于一体,标志着煤矿岩巷掘进机在大直径、大埋深、复杂地层施工方面实现新突破。

近年来,我国智能化掘进工作面崭露头角。《煤矿机器人研发重点目录》提出了9种掘进类机器人的研发应用要求。《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出,要基本实现掘进工作面减人提效。

据统计,截至今年8月底,全国煤矿建成智能化掘进工作面123个。智能化掘进工作面主要模式为基于悬臂式掘进机的智能综掘工作面和基于掘锚一体机的智能快速掘进系统。基于悬臂式掘进机的智能综掘工作面以自动截割为主、远程干预为辅;基于掘锚一体机的智能快速掘进系统具有超前钻探、精确定位、自主导航、自动截割、自动支护、连续转载、泡沫除尘、远程集控等功能。

兖州煤业股份有限公司从2019年起,在本部及鄂尔多斯能化公司全面推进智能掘进工作面建设工作,目前累计建成了24个重点掘进工作面。其中,鲍店煤矿7304胶带顺槽建成的智能掘锚工作面,实现了复杂地质条件下的安全高效掘进。


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国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿8.8米超大智能综采工作面检修现场


打破
传统掘进格局尚未打破掘进技术发展不平衡

煤矿间发展差距较大,后配套系统效率较低,关键制造装备能力不足,核心技术和基础研究短板明显,掘进工艺有待优化,部分企业“重采煤、轻掘进”现象存在,职工素质有待提升


“我们煤矿掘进工作虽取得了一点成绩,但更应该如履薄冰、居安思危,充分认识存在的问题。”孙守仁指出。

数据显示,2019年我国83%的煤炭产量来自井工开采,若平均按50米的万吨掘进率计算,掘进工程量超过1.5万公里。其中,煤巷、半煤岩巷约占总掘进工程量的70%。我国煤矿掘进面有1.6万个,支护、辅助运输等环节高度依赖人工;掘进面水、瓦斯、顶板、粉尘、冲击地压严重威胁人员安全,顶板事故起数与死亡人数占事故总起数和死亡人数的比率均超50%。

我国煤矿赋存条件千差万别,造成了掘进技术发展的不平衡。据了解,陕北、神东等矿区顶板条件好、围岩完整,最高月进尺超过3000米。占全国约90%的一般及复杂地质条件矿井,围岩松软破碎,平均月进尺不足200米。

中国工程院院士康红普指出,根据地质条件,可将我国现有掘进与支护技术发展类型分为三类,较好条件煤巷掘进、一般及复杂条件煤巷掘进和岩巷掘进。

较好条件煤巷掘进构造少、煤系地层完整,主要采用掘锚机组+后配套方式(单巷)、连采机+锚杆台车(双巷)掘进方式,如陕煤榆北煤业公司形成的适用该公司不同地质条件的四类快掘成套装备,可实现月单进平均1500米。

一般及复杂条件煤巷掘进构造较多、围岩强度低、完整性差,锚杆及时支护与施加高预应力是关键。掘进方式主要为悬臂式掘进机+单体锚杆钻机、悬臂式掘进机+临时支架+锚杆台车,悬臂式掘锚一体机等。其中,悬臂式掘进机+单体锚杆钻机掘进方式为我国主要的掘进支护方式,全国平均月进尺180米,如山西、山东与两淮地区的煤矿。

岩巷掘进则有炮掘、TBM、重型悬臂式掘进机。如煤矿全断面硬岩掘进机经改造后,应用于华阳新材料科技集团新景矿,最高月进尺562米。

“煤矿掘进与支护作业存在一些关键难题,缺乏有效的临时支护、大部分条件掘支不能平行作业、锚杆和锚索支护施工时间长、单机自动化程度低和多机协作能力差、机械设备可靠性差和整体开机率低等。”康红普说。

此外,部分企业对掘进工作认识不到位,“重采煤、轻掘进”现象存在。比如,掘进工作劳动强度大、环境恶劣、危险性高,但工人待遇赶不上采煤工;一些单位对掘进投入相对不足,许多掘进设备超期服役;连续采煤机掘进、掘锚一体化掘进、盾构法掘进等方式,尚未得到大量推广应用。

传统综掘工艺虽在设备上实现了截割、运煤的机械化或半机械化作业,但其他工艺环节仍大量依靠人工作业,严重影响了掘进效率和安全。如掘支运不能平行作业,而且在冲击地压、高瓦斯、深部等复杂条件矿井,支护耗时更多;后配套系统特别是通风、除尘、安全监控、压风、供水、供电等,缺乏统一设计与服务,无法高效协同运转。

“目前,我国传统掘进格局尚未打破,煤矿间发展差距较大,后配套系统效率较低,关键制造装备能力不足,核心技术和基础研究短板明显,掘进工艺有待优化,职工素质有待提升。”孙守仁表示。


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国内首套大倾角矿用岩巷盾构机在淮北矿业集团袁店二矿入井安装 黄世鹏 摄

攻关
开展有针对性的集中攻关研究

针对我国不同的地质条件,开展有针对性的集中攻关研究,形成不同形式的快速掘进、支护技术与装备,使掘支作业由主要依靠人工到全面机械化,再到自动化和智能化


煤矿掘进不仅关乎效率,更与矿工安全与健康息息相关。数据显示,目前我国煤矿从业人员中,从事采煤、掘进、运输等危险繁重岗位人员占比在60%以上,其中直接从事掘进作业的人员约30万人。

多年来,企业粉尘危害防治经费投入相对不足,控除尘技术单一、现场管理不到位、工人个体防护意识不强等问题较为突出。据中国煤矿尘肺病防治基金会统计,我国尘肺病患者达80多万人,其中60%以上在煤矿,且每年约以3万例的速度在递增。有的煤矿掘进工作面粉尘浓度在每立方米2000毫克至3000毫克,呼吸性粉尘浓度在每立方米50毫克至60毫克,远超国家标准。

“我们一定要统一思想,凝聚共识,全力构建一个安全、高效、绿色、智能的现代化煤矿掘进新体系。”孙守仁说。

如何构建现代化煤矿掘进新体系?在全国煤矿快速掘进现场交流会上,很多企业代表表示,重视掘进工作、加大资金和装备投入、加强人才培养、提升管理水平是关键。

“智能快掘不是纯粹的工序叠加,也不是‘人少能力强’,而是‘人—机—环—管’的高度融合。”榆北煤业公司总经理石增武说。

此次全国煤矿快速掘进现场交流会选址在陕煤集团榆北煤业公司。近年来,该公司秉承“掘进先行”的理念,成立智能化建设工作领导小组,依托工程研究中心和博士后流动工作站,加大与中国矿业大学、中铁建集团、西煤机等单位的跨界合作力度,成立了“王剑智能快速掘进”团队。他们通过将快速掘进技术与物联网、云计算、大数据、机器人等深度融合,建立了集感知、分析、自学习、预测、决策与控制于一身的完整的智能系统,整合掘—铺—支—运全过程。截至目前,该集团对智能快掘装备改造工作累计投入超过3000万元。

“巷道掘进与支护已成为煤矿自动化、智能化建设的短板。必须针对我国不同的地质条件,开展有针对性的集中攻关研究,形成不同形式的快速掘进、支护技术与装备,使掘支作业由主要依靠人工到全面机械化,再到自动化和智能化。”康红普说。

针对重点技术,康红普建议,在煤矿巷道围岩分类的基础上,分类开发适应不同围岩条件的快速掘进与支护技术及装备;开发掘进工作面高精度定位导航;开展掘进工作面临时主动、自动化支护技术与装备研发;开展锚杆支护工艺变革,推动锚杆自动化钻装技术发展;开展巷道围岩稳定性实时监测、预警、反馈、决策、控制技术研究;开展超前探测、掘进、支护、运输、通风、降尘等快速成巷的全系统自动化、智能化升级,以大幅提高掘进速度与效率。


为提高瓦斯治理岩巷掘进速度和突出煤巷单进水平,给瓦斯治理提供充足时间与空间,中国平煤神马能源化工集团副总经理张建国表示,该集团在全国深井煤矿岩巷施工率先引进用于地铁隧道的悬臂式大功率硬岩掘进机,推广应用具有转速快、扭矩大、推力足等优势的液压锚杆钻车;联合重庆大学等单位展开攻关,建成具有一键启停、远程操控、无人切割的智能化掘进机,并实现智能化掘进机、液压锚杆钻车、胶轮车、胶带输送机、局部通风机等设备的有机配套和集中控制,所有设备均可一键启动。

智能掘进是发展方向。中国铁建重工集团煤矿装备研究院院长张廷寿指出,煤矿智能化快速掘进技术重点包括精准定位、自动导航、超前钻探、自动截割、自动支护、连续转载、故障预诊、远程集控。不过,目前,我国智能快掘工作面普遍没有实现集中控制和远程操作,实质属于机械化、自动化掘进,距离完全的无人化掘进、无人自动锚护等还有一定距离。

华阳新材料科技集团曾试用过悬臂式掘进机加装机载锚杆钻机、掘锚一体化快速掘进作业线、煤巷矩形护盾式掘锚机等设备,均未收到良好效果。2020年,华阳新材料科技集团在大断面厚煤层顺槽巷道试用双钻臂掘锚护一体机,效果良好。该集团有关负责人表示,“快掘系统必须满足一定条件才能发挥其性能”。


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华阳新材料科技集团试用掘锚护一体机 李斌斌 摄

“我们既要加强顶层设计,大胆融合5G、物联网、工业互联网等技术,尽快突破智能化少人无人掘进技术,也要深刻认识到实现智能掘进 的长期性和复杂性,做好长期攻坚的准备。”孙守仁建议。

来源:中国煤炭报 记者王世雅


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