張德生，任懷偉，卞 冀，徐亞軍

1天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部 北京 100013

2中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司 河北唐山 063012

智能化是當(dāng)前煤炭綜采技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，以工作面“三機(jī)”自動化引領(lǐng)的智能綜采技術(shù)逐步發(fā)展成熟，在地質(zhì)條件較好的工作面已形成“無人操作、有人巡視，順槽集中控制”的智能化開采模式[1-2]。綜采工作面超前兩巷是煤流、人流和物流的主通道，且超前段是頂板事故的多發(fā)區(qū)，在超前20 m 以上的支護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，設(shè)備繁多、工序復(fù)雜，如大部分礦井單體支柱搬運(yùn)等工作仍需人力操作，成為制約智能化開采的瓶頸。

提高超前巷道 (順槽) 輔助作業(yè)機(jī)械化、自動化程度，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備協(xié)同控制，減少作業(yè)人員數(shù)量是近年來研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn)。在超前支護(hù)方面，經(jīng)過近20 年的發(fā)展和完善，超前液壓支架已成為各種類型礦井安全、高效生產(chǎn)的基本保障[3-4]；在運(yùn)輸系統(tǒng)方面，轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置 (馬蹄爾) 不斷成熟并向大推移行程發(fā)展[5-6]；在輔助作業(yè)方面，機(jī)器人化巡檢和作業(yè)裝備不斷涌現(xiàn)[7-8]，國家煤礦安全監(jiān)察局《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》提出了巷道清理機(jī)器人等輔助機(jī)器人裝備的要求[9]，推動各類輔助作業(yè)機(jī)器人加速發(fā)展。在上述裝備自動化發(fā)展的基礎(chǔ)上，超前支護(hù)裝備、運(yùn)輸裝備和協(xié)同推進(jìn)控制技術(shù)也有了初步進(jìn)展[10]。

當(dāng)前，煤炭企業(yè)把握技術(shù)發(fā)展的新趨勢，大力實(shí)施開采技術(shù)裝備升級、減員提效，為超前巷道輔助作業(yè)新技術(shù)推廣應(yīng)用提供了重要機(jī)遇。通過對輔助作業(yè)自動化技術(shù)分析和展望，并介紹最新發(fā)展成果，以期為相關(guān)技術(shù)裝備的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 綜采工作面超前巷道輔助作業(yè)

1.1 超前巷道基本功能和輔助作業(yè)類型

在長壁綜合機(jī)械化開采工藝中，工作面超前巷道承擔(dān)煤流外運(yùn)、綜采工作面材料內(nèi)運(yùn)、裝備動力和材料輸入，以及保障人員和設(shè)備安全作業(yè)空間等基本功能，相應(yīng)的基本系統(tǒng)包括承擔(dān)煤流外運(yùn)的轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)、運(yùn)輸動力設(shè)備和管路的設(shè)備列車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、控制圍巖的超前支護(hù)系統(tǒng)及巷修工程等輔助作業(yè)系統(tǒng) (見圖 1)。在工作面推進(jìn)過程中，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)的移動，超前支護(hù)系統(tǒng)的前移，液、電、氣供給管路的回撤，巷道治理等大量輔助作業(yè)，上述工序具有復(fù)雜化、離散化等特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)程序化控制，造成人員經(jīng)常性集中作業(yè)，限制了綜采工作面及兩巷設(shè)備協(xié)同推進(jìn)，成為智能化開采的最大障礙。

圖1 工作面及超前巷道設(shè)備布置示意Fig.1 Layout of equipments in advanced roadway and working face

為此，重點(diǎn)對空間維護(hù) (支護(hù)設(shè)備群)、煤流 (轉(zhuǎn)載機(jī)+帶式輸送機(jī))、動力流和信息流 (管路群)、巷修作業(yè) (輔助裝備) 等管理和維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.2 超前支護(hù)系統(tǒng)

《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定：采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)的巷道長度不得小于 20 m。傳統(tǒng)超前支護(hù)是以單體支柱支撐，隨工作面推進(jìn)，單體支柱從后向前移動，反復(fù)搬運(yùn)與支設(shè)工作，勞動強(qiáng)度大。條件差的巷道支護(hù)密度大，人工移動危險性更高。為減少操作人員，提高超前支護(hù)效果，近年來重點(diǎn)發(fā)展的雙列多節(jié)邁步式超前支架 (見圖 2) 可有效加強(qiáng)巷道超前段及端頭后方巷道的頂板支護(hù)，通過配置電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交替邁步式前移，大大簡化了操作流程，提高了工效，保證工作面采煤作業(yè)順利進(jìn)行，現(xiàn)已逐步發(fā)展成熟，在各類地質(zhì)條件礦井均有應(yīng)用[11]。

圖2 運(yùn)輸巷超前支護(hù)系統(tǒng)Fig.2 Advanced supporting system in conveyance roadway

存在問題：頻繁的降柱-移架操作帶來反復(fù)支撐，破壞頂板和原有錨網(wǎng)系統(tǒng)，對于頂板條件差或壓力顯現(xiàn)明顯超前巷道的適應(yīng)性較差，制約了其推廣應(yīng)用，因此傳統(tǒng)單體超前支護(hù)方式仍在大量應(yīng)用。

1.3 煤流輸送系統(tǒng)

當(dāng)前，運(yùn)輸巷的煤流輸送裝備群形成了以“轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+帶式輸送機(jī)”的成熟配套模式，自移裝置作為轉(zhuǎn)載機(jī)與帶式輸送機(jī)的中間銜接裝置 (見圖3)，具有輸送帶跑偏調(diào)整、轉(zhuǎn)載機(jī)推移方向和自行前移等功能，廣泛應(yīng)用于高產(chǎn)高效工作面。通過人工操作液壓閥，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)尾的自動前移，達(dá)到工作面快速推進(jìn)目的，并通過引入電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動化前移。

圖3 轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置Fig.3 Self-moving device for transfer conveyer

存在問題：大采高工作面轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤流系統(tǒng)大塊堵卡時，需要停機(jī)處理，由人工輪錘或手持風(fēng)鎬進(jìn)行破塊，停機(jī)時間十幾分鐘至 1 h 以上，無法保證煤流系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行；帶式輸送機(jī)托輥架的回撤仍需大量的人工輔助作業(yè)。

1.4 設(shè)備列車和管路系統(tǒng)

綜采工作面設(shè)備列車是乳化液泵站、移動變電站、各類監(jiān)控中心、電纜盤和材料等的工作載體，一般在距采煤工作面 40～200 m 的范圍內(nèi)，隨工作面回采整體移動，保證系統(tǒng)高速推進(jìn)，成為綜合機(jī)械化開采的必備裝備；各類管路系統(tǒng)則掛設(shè)在煤壁上，由人工拆卸，通過車輛運(yùn)輸回撤，如圖 4 所示。

圖4 設(shè)備列車及管路系統(tǒng)Fig.4 Equipment train and pipeline system

存在問題：通用設(shè)備列車是“絞車+軌道”模式，回撤移動時將后部軌道拆除，移至前端。絞車操作、軌道運(yùn)輸和鋪設(shè)均需人工完成，無法實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)推進(jìn)；供水管路、供液管路也需邊回采邊拆除，人力消耗大。

1.5 其他輔助作業(yè)

(1) 巷修作業(yè) 由于強(qiáng)礦壓作用造成巷道變形大，影響設(shè)備通過，且具有安全隱患，必須采取修復(fù)和加強(qiáng)支護(hù)作業(yè)，以保證安全通行和作業(yè)空間。主要包括鉆孔、起底、擴(kuò)幫等作業(yè)。

存在問題：目前采用的單鉆機(jī)作業(yè)和人工起底方式勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，單班甚至達(dá)到數(shù)十人同時作業(yè)。

(2) 退錨作業(yè) 從圍巖控制和采空區(qū)安全角度出發(fā)，對于回采巷道，回采前需依靠錨索維護(hù)采前穩(wěn)定，回采后需及時垮塌。當(dāng)錨索過強(qiáng)支護(hù)時，工作面推進(jìn)后回采巷道頂板滯后垮落，產(chǎn)生大面積懸頂，相臨巷道應(yīng)力增大，并容易導(dǎo)致瓦斯和有害氣體積聚，給煤礦生產(chǎn)帶來一定的安全隱患，因此需要將錨索的鎖具退出以解除錨固作用，并回收托盤、鎖杯等材料。

存在問題：退錨機(jī)具鎖片拆除環(huán)節(jié)需要人工介入，危險性大，對于銹蝕等情況，錨索退錨率低，一般需要 3 人以上協(xié)同作業(yè)。

2 超前巷道輔助作業(yè)機(jī)械化與自動化新進(jìn)展

2.1 超前支護(hù)新技術(shù)

針對雙列多節(jié)式超前支架沿工作面走向等強(qiáng)度支護(hù)的不足，提出適用于多數(shù)巷道超前支護(hù)的“低初撐力、高工作阻力”超前液壓支架支護(hù)理念和非等強(qiáng)支護(hù)控制方法[12]，以巷道變形量和超前應(yīng)力集中 2 個參數(shù)作為穩(wěn)定性控制指標(biāo)，采用低初撐力以減輕對頂板接觸區(qū)域和錨桿的破壞，高工作阻力以抵抗頂板沖擊載荷破壞，和錨桿支護(hù)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮支護(hù)作用，提高了超前液壓支架的適應(yīng)性。同時，非等強(qiáng)支護(hù)控制方法為沖擊地壓礦井超前巷道 70 m 以上超長距離支護(hù)裝備設(shè)計和布設(shè)提供了理論支撐。

針對反復(fù)支撐破壞頂板的問題，近年來先后發(fā)明了搬運(yùn)車載運(yùn)[13]和單軌吊運(yùn)式[14]無反復(fù)支撐液壓支架。中煤科工太原研究院發(fā)明的搬運(yùn)車轉(zhuǎn)載式 (見圖5(a)) 包括無軌防爆膠輪車、升降平臺以及旋轉(zhuǎn)夾緊裝置，旋轉(zhuǎn)夾緊裝置布置于升降平臺上，通過升降實(shí)現(xiàn)超前支架的接頂、脫頂和旋轉(zhuǎn)，并由搬運(yùn)車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載動作；天地科技發(fā)明的單軌吊運(yùn)尾變首式超前支護(hù)系統(tǒng) (見圖 5(b))，可通過單軌吊的轉(zhuǎn)載實(shí)現(xiàn)尾變首式移動。上述 2 種方案可從根本上解決反復(fù)支撐對頂板的擾動破壞問題，目前已在雅店煤礦、口孜東煤礦等復(fù)雜條件礦井推廣應(yīng)用。

圖5 超前液壓支架架型新發(fā)展Fig.5 New type of advanced hydraulic support

2.2 煤流系統(tǒng)保障

針對大塊煤和矸石這一影響煤流系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的重要障礙[15]，為減輕工人勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率和安全，利用沖擊原理的機(jī)械破碎裝置，對大采高工作面大塊煤進(jìn)行破碎的各種嘗試不斷出現(xiàn)。天地科技開發(fā)的乳化液拍擊式大塊破碎技術(shù)[16]，其沖擊加速性能可達(dá) 7g以上[17]，在有限的高度空間內(nèi)達(dá)到盡可能好的破塊效果，適用于轉(zhuǎn)載機(jī)入口大塊煤的破碎 (見圖6(a))；一種具有大塊煤預(yù)破碎功能的過渡槽及刮板輸送機(jī)[18]則在卸載區(qū)安裝電動機(jī)直驅(qū)齒輥式連續(xù)破碎裝置，解決了工作面輸送機(jī)卸載點(diǎn)和轉(zhuǎn)載機(jī)入口點(diǎn)大塊煤堵塞難題 (見圖 6(b))，可在不停機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)大塊煤的破碎。

2.3 設(shè)備列車輔運(yùn)系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)設(shè)備列車移動作業(yè)步驟復(fù)雜、操作人員數(shù)量多的問題，中煤科工太原研究院等單位開發(fā)了邁步自移設(shè)備列車[19-20]，以液壓為動力，自帶軌道，實(shí)現(xiàn)列車自移、行走調(diào)偏、管纜隨動、防掉道等功能，前方錨固拉移裝置帶動整個設(shè)備列車邁步式前移 (見圖 7)，通過電液控制和無線遙控操作，進(jìn)一步提高了作業(yè)安全和效率。

2.4 巷道控制輔助作業(yè)技術(shù)

底鼓一直是我國巷道支護(hù)的頑疾，注漿、錨桿與錨索加固是控制巷道底鼓的有效方式。水力壓裂卸壓、放頂技術(shù)是近年來新發(fā)展的一項技術(shù)。上述作業(yè)均需完成不同方位和深度的鉆孔作業(yè)?，F(xiàn)有鉆機(jī)質(zhì)量與體積較大，在巷道內(nèi)搬運(yùn)、穩(wěn)定困難，鉆孔位置不容易精確掌握 (見圖 8(a))，為此專門開發(fā)了牽引式輕便型多功能鉆機(jī)平臺 (見圖 8(b))。

針對懸頂退錨作業(yè)難題，天地科技發(fā)明了一種卡盤式自動退錨裝置[21]，在傳統(tǒng)退錨千斤頂?shù)幕A(chǔ)上，增加了三爪液壓卡盤和聯(lián)接部，配套新型外沿結(jié)構(gòu)鎖片，實(shí)現(xiàn)張拉松錨及退錨的一體化作業(yè)，避免了人工撥片等危險作業(yè)。在山西王坡煤礦某巷道進(jìn)行了錨索退錨作業(yè)試驗(yàn)，效果良好 (見圖 9)。

圖8 鉆機(jī)平臺Fig.8 Drill rig platform

圖9 卡盤式退錨裝置Fig.9 Bolt-retreating device with cartridge

3 超前輔助作業(yè)發(fā)展方向

3.1 發(fā)展趨勢

隨著煤炭資源的開發(fā)向深部轉(zhuǎn)移，超前巷道條件日趨復(fù)雜[22]，對超前巷道支護(hù)和圍巖控制要求不斷提高，巷修等輔助工作量也隨之加大；智能采煤技術(shù)的快速發(fā)展，也要求兩巷作業(yè)自動化水平進(jìn)一步提升。因此，超前巷道輔助作業(yè)將向以下方向發(fā)展：

(1) 圍巖控制作業(yè)一體化 超前巷道多裝備一體化是必然趨勢。系統(tǒng)考慮圍巖控制的時空效應(yīng)，“采前修復(fù)—超前支護(hù)—采后卸壓”一體化作業(yè)如圖10 所示，將修復(fù)平臺和退錨作業(yè)與超前支架集成一體，實(shí)現(xiàn)全方位自動化控制。

圖10 一體化作業(yè)示意Fig.10 Sketch of integration operation

(2) 裝備功能集約化 減人提效是發(fā)展輔助作業(yè)自動化技術(shù)的目標(biāo)。分散作業(yè)裝備和崗位的集中，必須要求裝備功能集約化。如轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)和起底設(shè)備等的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“鏟-裝-運(yùn)”集成功能，提高裝備適應(yīng)性，減少作業(yè)人員。

(3) 控制協(xié)同化 改變傳統(tǒng)的離散人工就地控制方式，將轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)尾、設(shè)備列車、大塊破碎裝置等集成到統(tǒng)一的監(jiān)測和控制平臺，與工作面的推進(jìn)相銜接，實(shí)現(xiàn)基于開采工藝與工序的設(shè)備協(xié)同推進(jìn)。

3.2 共性關(guān)鍵技術(shù)

(1) 精確定位和導(dǎo)航技術(shù) 精確定位和導(dǎo)航技術(shù)是設(shè)備調(diào)控的基礎(chǔ)，也是人員安全的保證。當(dāng)前超前液壓支架的自移、設(shè)備列車糾偏、人員接近保護(hù)等均需高精度定位的支持，是需解決的共性關(guān)鍵問題。

(2) 圖像處理和識別技術(shù) 超前巷道圍巖的工況監(jiān)測、煤流系統(tǒng)的大塊識別、巷道變形和破壞等智能識別難題，均有望通過圖像感知及處理技術(shù)來破解，該技術(shù)是超前巷道自動化作業(yè)領(lǐng)域的重要支撐。

(3) 機(jī)器人化高效作業(yè)裝備 高效的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是輔助作業(yè)的根本保障，按照《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》的要求，開發(fā)超前支護(hù)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、破碎機(jī)器人、巷道清理機(jī)器人、管道安裝機(jī)器人以及各類巡檢機(jī)器人。

4 結(jié)語

隨著智能化開采的加速發(fā)展和推廣應(yīng)用，目前超前巷道輔助作業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，正向自動化和智能化方向發(fā)展。集成現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)裝備，以圍巖控制為基礎(chǔ)，減員提效為目標(biāo)，進(jìn)一步攻克精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航、智能感知及機(jī)器人化作業(yè)技術(shù)，為煤炭智能化少人化開采提供支撐。