曹 鵬， 同曉軍

（陜西黃陵二號煤礦有限公司， 陜西 延安 727307）

引言

隨著AI 技術(shù)和5G 通訊等智能科技的加速推廣，將以錨索機器人及智能快速掘進一鍵啟動、視頻監(jiān)控等技術(shù)的研發(fā)應用為契機，實現(xiàn)快速掘進成套裝備工作面本地控制、無線遙控、遠程控制和可視化控制等功能，通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)掘進系統(tǒng)一鍵啟停、自主定向?qū)Ш?、自動定形截割、自動支護及自動掃幫等功能，進一步釋放智能快速掘進設(shè)備潛力[1-2]。同時，將大力推進AI 技術(shù)在NOSA 管理中的應用，在307 區(qū)域裝配AI 智能場景識別視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能掘進和人力智能安全感知融合管控。持續(xù)踐行“機械化換人，自動化減人，智能化少人，確保安全”的目標[3]。

1 工程概況

二號煤礦是黃陵礦業(yè)公司所屬的大型骨干礦井，井田位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)境內(nèi)，井田總面積352 km2，地質(zhì)儲量9.45 億t，可采儲量6.4 億t，煤層平均厚度3.39 m。礦井始建于2004 年5 月，核定生產(chǎn)能力800 萬t/年。215 膠帶巷位于陜西黃陵二號煤礦井下二盤區(qū)左翼，設(shè)計長度為3 510 m，巷道主要用于215 綜采工作面回采時出煤系統(tǒng)鋪設(shè)、供排水安裝，截止2020 年12 月底施工399.4 m，剩余3 110.6 m，于2021 年開始快速掘進設(shè)備工業(yè)性試驗。

2 支護優(yōu)化與設(shè)備配套

1）215 膠帶巷沿煤層頂板掘進，矩形斷面，掘?qū)?.4 m，掘高3.8 m，斷面積20.52 m2，掘進期間采用超前邁步支架裝置作為臨時支護，永久支護為錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護。由于快掘設(shè)備比原綜掘設(shè)備體積大，為滿足該套設(shè)備正常使用，將215 膠帶巷高度變更為4 m，掘?qū)挷蛔儯瑪嗝娣e變?yōu)?1.6 m2。由于二盤區(qū)地質(zhì)條件限制（頂板掉矸而幫部完好），所以頂部支護參數(shù)不做調(diào)整，兩幫部排距由原設(shè)計900 mm 優(yōu)化為1 200 mm，其余支護參數(shù)和規(guī)格不變。實踐表明，優(yōu)化后的支護強度能夠達到預期支護效果，后續(xù)需加強礦壓監(jiān)測，根據(jù)礦壓監(jiān)測和現(xiàn)場情況，及時進行適當調(diào)整。

2）215 膠帶巷快掘設(shè)備由EBZ260M-2 型錨護掘進機（加邁步支架臨時支護）、CMM4-30 液壓錨索鉆車、ZDY80/120/135 型可彎曲膠帶機、DWZY800/1500邁步自移機尾、自移設(shè)備列車等組成，構(gòu)成錨護一體化快速掘進設(shè)備，適用于中厚煤層及半煤巖巷的掘進。如圖1 所示。

3 工業(yè)性試驗

1）支護工藝。安排5 人使用2 臺氣腿式錨桿機施工頂板錨桿，每循環(huán)共21 根頂錨桿；安排4 人使用2臺手持式錨桿機施工上部3 根幫錨桿，底角錨桿滯后邁步支架尾部20 m（由八點班施工），每循環(huán)共13.5根幫錨桿；安排2 人利用1 臺氣腿式錨桿機施工邁步支架后錨索，每循環(huán)平均6 根錨索。錨桿支護均在割煤后進行施工（底角錨桿在八點班施工）；錨索支護在割煤和錨桿支護時均可進行施工，基本能保證邁步支架后所有錨索施工到位。

2）快速掘進工業(yè)性試驗。每個正規(guī)工作循環(huán)包括：割煤運煤、上網(wǎng)走架和永久支護。最高日進尺達21 排時，每循環(huán)用時約3 h，分別是割煤運煤用時約80 min，上網(wǎng)走架共20 min，永久支護用時約80 min。

4 施工效率低的影響因素

1）單進水平效率低。每循環(huán)割煤運煤時間平均80 min，占比44.4%，嚴重制約單進水平。為滿足快速掘進設(shè)備順利通過及激光儀安設(shè)需求，巷道高度由原設(shè)計3 800 mm 調(diào)整為4 000 mm，而煤層厚度2.1～3.3 m，平均厚度只有2.7 m，巷道底板破矸至少700 mm，平均1 300 mm，破底割矸時間較長，與原綜掘設(shè)備相差不大。巷道局部區(qū)段頂板較為破碎，導致不能正規(guī)循環(huán)作業(yè)，短掘短支影響單進水平。破矸或掉矸較多，導致運煤困難，大塊矸石會堵在掘錨機一運和可彎曲皮帶轉(zhuǎn)載點處，此時需要停機安排人員處理，造成運煤時間長。

2）支護操作用時長。支護時間在每循環(huán)占比約44.4%，嚴重制約單進水平。機載錨桿鉆機支護錨桿每循環(huán)超過氣腿式錨桿鉆機1 h 以上，因此目前使用氣腿式錨桿鉆機進行錨桿支護，因機載錨桿鉆機設(shè)備大、超前邁步支架阻礙和操作液壓系統(tǒng)對錨桿眼位精度要求高，導致確認錨桿眼位耗時長。支護頂部中間1 根錨桿時，因設(shè)備較大，掘錨機上方空間有限，需要擺動掘錨機截割部，用時長；只配備2 臺機載錨桿鉆機，無法實現(xiàn)左右巷道頂、幫部同時支護。機載錨桿鉆機操作耗時耗力，操作需要配備人員為：機載錨桿鉆機車操作工1 人、機載錨桿鉆操作工1 人、鉆機上更換鉆桿1 人、底板上準備錨固劑以及穿錨桿1 人。機載錨桿鉆機扭矩力較小，達不到初次預緊力，需要人工進行初次預緊，相對耗時耗力。在錨注錨桿時，因鉆機上端防鉆桿擺動裝置較小，錨桿托盤無法通過，所以在錨注時需要將托盤提前拆下放在設(shè)備上端。錨索鉆車與掘錨機之間有除塵風機風筒和轉(zhuǎn)載點，導致間距過大，最短5 m，為保證頂板安全要求錨索支護緊跟邁步支架，因此采用氣腿式錨桿鉆機施工錨索，不能發(fā)揮錨索鉆車優(yōu)勢，錨索支護耗時較長。

5 割煤改進措施

在不影響巷道使用的前提下進行降低掘進高度的可行性試驗，擬采用機載臨時支護替換邁步支架，現(xiàn)已聯(lián)系廠家，交流改進原有機載臨時支護，確保臨時支護面積不小于3.0 m×2.9 m，若試驗成功，預計可將巷道高度調(diào)整為3.5m，少割矸0.5 m。其次，改進掘錨機和可彎曲皮帶聯(lián)鎖裝置，使設(shè)備運行操作更方便，運煤更通暢，預計每排節(jié)約用時約5 min。針對錨桿支護，將掘錨機原有的機載鉆機轉(zhuǎn)速提高，增加鉆箱進液管直徑（由原Φ13 m 變?yōu)棣?9 m，已達到預期轉(zhuǎn)速），進一步提高錨桿施工效率。針對錨索支護，通過增加泡沫除塵設(shè)施，縮減機載除塵風機風筒，從而減少錨索鉆車與邁步式支架間距，使錨索鉆車可以緊跟邁步支架施工錨索，充分發(fā)揮錨索鉆車優(yōu)勢。繼續(xù)加強職工操作訓練，進一步提高操作熟練程度、割煤效率、支護效率和各工藝銜接順暢程度。綜合上述改進方案，每排共計可節(jié)約5 min 以上，每循環(huán)節(jié)約20 min，每天生產(chǎn)時間節(jié)約80 min（見表1），能夠圓滿完成月進尺550 m 的預期目標。

表1 改進前后快掘效率對比表

6 優(yōu)化效果

引進快速掘進技術(shù)，實現(xiàn)了從綜掘到快掘，再到智能化快速掘進的跨越?？炀蛑悄芑刂葡到y(tǒng)在復雜地質(zhì)條件下實現(xiàn)成功應用，讓井下少人掘進成為現(xiàn)實，取得了較好效果，同時為探索無人掘進技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1）效率高。智能掘進系統(tǒng)應用以來，先后在厚煤層巷道月進尺保持在680 m 以上，在薄煤層含硬夾矸巷道掘進月進尺保持在550 m 以上，較傳統(tǒng)掘相比，掘進速度提高了2 倍多。

2）用人少。原來掘進工作面，每班需要13 名職工，裝備智能化掘進系統(tǒng)后，現(xiàn)在只需5 人井下巡視，1 人地面遠程操作就可以完成正常掘進任務(wù)。掘進隊用工人數(shù)在原來的基礎(chǔ)上可減少20 人，掘進綜合工效提高了20%以上。

3）安全性高。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生在掘進過程中的安全事故占到了很多煤礦安全事故的1/3。煤礦智能快速掘進系統(tǒng)及機器人系統(tǒng)的研制和應用，破解了復雜地質(zhì)條件智能掘進難題，可實現(xiàn)掘、支、運同步作業(yè)，減少掘進工作面人員，讓工人遠離危險和繁重崗位，不僅進一步減輕了職工勞動強度，更提高了安全系數(shù)，促進煤礦安全管理。