張彥祿王步康張小峰李發(fā)泉

(1.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán),北京 100013;3.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006)

煤炭是我國(guó)當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期的主導(dǎo)能源。依靠科技創(chuàng)新,發(fā)展工藝先進(jìn)、生產(chǎn)效率高、資源利用率高、安全保障能力強(qiáng)、環(huán)境保護(hù)水平高的先進(jìn)采煤技術(shù)將是煤炭行業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向,也是煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。

我國(guó)煤炭以井工開(kāi)采為主,長(zhǎng)壁綜采技術(shù)的應(yīng)用使我國(guó)煤炭開(kāi)采效率和安全水平顯著提升,但同時(shí)開(kāi)采后遺留了大量的煤柱和殘采煤區(qū),此外,不規(guī)則塊段、“三下”壓煤(建筑物下、鐵路下和水體下)、邊幫壓煤等資源因開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性、地表環(huán)境制約等因素不適合長(zhǎng)壁綜采,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)有煤炭資源中只有60%適合長(zhǎng)壁綜采,且采后遺留20%殘采煤區(qū)和煤柱,40%不適合長(zhǎng)壁綜采(其中17%為不規(guī)則塊段或地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜煤層,均不具備長(zhǎng)壁綜采的條件;23%屬“三下”壓煤)[1],如何有效回收上述煤柱、不規(guī)則塊段和“三下”壓煤等資源已成為制約我國(guó)煤炭資源采出率提升、實(shí)現(xiàn)煤炭安全綠色高效開(kāi)采的瓶頸問(wèn)題。

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“短壁開(kāi)采技術(shù)”)是基于現(xiàn)代房柱式采煤法、使用連續(xù)采煤機(jī)及其后配套裝備進(jìn)行煤炭開(kāi)采的方法,具有采掘合一、機(jī)動(dòng)靈活、投資小、見(jiàn)效快、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn),因短壁工作面布置較靈活,可實(shí)現(xiàn)“即進(jìn)即退”機(jī)械化回采,對(duì)斷層、褶曲、陷落柱等構(gòu)造的應(yīng)變能力強(qiáng),因此,該技術(shù)適用于煤礦井下邊角煤、“三下”壓煤和不規(guī)則塊段開(kāi)采[2-3]。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)先后引進(jìn)了多種連續(xù)采煤機(jī)短壁技術(shù),并通過(guò)大量工藝改進(jìn)以提高該技術(shù)對(duì)我國(guó)多種地質(zhì)條件的適應(yīng)性,促進(jìn)了短壁開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展。1979年,同煤集團(tuán)大斗溝煤礦使用小松JOY 公司l2CM18 型連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行刀柱式開(kāi)采,年產(chǎn)量達(dá)35 萬(wàn)t;2001年,神東上灣煤礦推出連續(xù)采煤機(jī)、履帶行走式液壓支架、連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)配套使用的短壁開(kāi)采技術(shù),創(chuàng)造了月產(chǎn)原煤12.6 萬(wàn)t 的新紀(jì)錄[4];我國(guó)科研學(xué)者、技術(shù)人員圍繞短壁開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展前沿,結(jié)合我國(guó)煤炭開(kāi)采實(shí)際需求開(kāi)展持續(xù)科研攻關(guān),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化技術(shù)裝備從全面技術(shù)引進(jìn)到自主研發(fā)制造的轉(zhuǎn)變,在開(kāi)采工藝、裝備研制和工程實(shí)踐等方面取得重大進(jìn)展,研發(fā)了適用于不同煤層賦存條件的短壁技術(shù)與裝備,形成了具有中國(guó)特色的短壁開(kāi)采技術(shù)體系。1989年,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司完成了國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目“連續(xù)采煤機(jī)采煤方法研究”;2008年,國(guó)產(chǎn)首臺(tái)EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī)完成研制;2010年,國(guó)產(chǎn)首套短壁機(jī)械化示范工作面在山西朔州中煤東坡煤礦正式投產(chǎn),最高月產(chǎn)原煤達(dá)8.02 萬(wàn)t[5];2020年4月,國(guó)產(chǎn)首套露天邊幫開(kāi)采成套裝備在鄂爾多斯金正泰煤礦進(jìn)行邊幫壓煤回收試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了我國(guó)露天邊幫開(kāi)采成套裝備的“從無(wú)到有”;此外,“適合‘三下’及邊角煤開(kāi)采的短壁機(jī)械化采煤技術(shù)與設(shè)備”,“煤礦遺留煤柱與不規(guī)則塊段安全高效開(kāi)采技術(shù)與裝備”相繼入選由中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《煤炭工業(yè)推廣應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)》目錄。

為進(jìn)一步完善和推廣連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù),《煤礦安全規(guī)程》(2016)版第116 條詳細(xì)規(guī)定了連續(xù)采煤開(kāi)采在通風(fēng)、防滅火、頂板管理等方面的要求,但因?qū)Χ瘫陂_(kāi)采技術(shù)認(rèn)識(shí)不足、相關(guān)開(kāi)采工藝措施不健全等原因,我國(guó)短壁開(kāi)采技術(shù)主要在陜蒙地區(qū)進(jìn)行了一定范圍的推廣,難以滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)煤炭資源采出率的需求,甚至,一些煤礦以連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采為名,進(jìn)行國(guó)家明令禁止的巷道式采煤,造成了重大傷亡事故,使短壁開(kāi)采技術(shù)推廣陷入困境。基于此,通過(guò)分析闡述短壁開(kāi)采技術(shù)與裝備的發(fā)展歷程和研究進(jìn)展,全面總結(jié)了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域代表性成果,并分析了相關(guān)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題,提出了短壁開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及建議。

1 我國(guó)對(duì)短壁開(kāi)采技術(shù)的需求

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)為煤柱、不規(guī)則塊段、“三下”壓煤、邊幫壓煤等資源的開(kāi)采提供了有效解決途徑,該技術(shù)與長(zhǎng)壁綜采形成互補(bǔ),提高煤炭資源采出率,同時(shí)可作為中小煤礦機(jī)械化升級(jí)改造的主要采煤技術(shù),提高中小煤礦采煤機(jī)械化程度,進(jìn)一步解放呆滯煤層,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。

1.1 煤柱及不規(guī)則塊段開(kāi)采

多年來(lái)大規(guī)模粗放性開(kāi)采,適合長(zhǎng)壁開(kāi)采的煤炭資源日益減少,長(zhǎng)壁開(kāi)采后的殘留煤柱、不能布置長(zhǎng)壁的殘采煤區(qū)、不規(guī)則塊段等煤炭?jī)?chǔ)量占比逐年上升。資料顯示,每布置1 個(gè)長(zhǎng)壁工作面,就會(huì)留下一個(gè)20～50 m 的煤柱,截止2020年5月,全國(guó)3 330 個(gè)在產(chǎn)綜采工作面,采后會(huì)留下幾千個(gè)煤柱;另一方面,處于礦區(qū)煤田的邊緣地帶、小的地質(zhì)構(gòu)造附近均不能用正常的長(zhǎng)壁開(kāi)采技術(shù)來(lái)回收,這些資源全國(guó)范圍內(nèi)達(dá)近百億噸;此外,20世紀(jì)我國(guó)大量地方小煤窯進(jìn)行了掠奪式開(kāi)采,破壞了煤層的完整性,形成了許多人為的陷落柱和小窯采空區(qū),為綜采工作面布置帶來(lái)了困難,這些資源長(zhǎng)期呆滯,造成了資源極大浪費(fèi)。

“十一五”期間,為解決煤柱回收及不規(guī)則塊段高效開(kāi)采問(wèn)題,我國(guó)實(shí)施了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“煤炭資源高效采選關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”,其子課題“煤柱及不規(guī)則塊段開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)”針對(duì)煤柱回收及不規(guī)則塊段高效開(kāi)采問(wèn)題,創(chuàng)新和發(fā)展了連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)工藝體系,研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)連續(xù)采煤機(jī),為煤柱及不規(guī)則塊段開(kāi)采提供了有效的技術(shù)途徑[6]。

1.2 “三下”壓煤開(kāi)采

我國(guó)“三下”壓煤是一個(gè)量大面廣亟需解決的難題,“三下”采煤需要控制地表沉陷將地表環(huán)境影響程度降至最低。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的華北地區(qū),村莊下壓煤較突出,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤礦生產(chǎn)礦井“三下”壓煤量達(dá)140 億t,約95%以上生產(chǎn)礦井存在“三下”壓煤,其中建筑物下壓煤約87.6 億t,占“三下”壓煤總量的60%左右,可供28個(gè)年產(chǎn)500 萬(wàn)t 的大型礦井開(kāi)采100 a,其中煤炭主產(chǎn)區(qū)山西、陜西、安徽等8 省建筑物下壓煤64.7 億t,約占全國(guó)建筑物下壓煤量的84.7%[3]。

采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化等常規(guī)采煤方法開(kāi)采“三下”壓煤較為困難,一旦開(kāi)采,必然會(huì)造成不同程度的地表沉陷[7]。短壁開(kāi)采技術(shù)可通過(guò)煤柱支撐法控制上覆巖層移動(dòng),一次采動(dòng)范圍小,是較理想的“三下”采煤技術(shù);此外,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司提出了連續(xù)采煤機(jī)短壁充填采煤法,將短壁開(kāi)采技術(shù)與充填技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)了風(fēng)積沙膏體膨脹材料充填系統(tǒng),短壁開(kāi)采技術(shù)和設(shè)備運(yùn)行空間方面都可滿(mǎn)足充填開(kāi)采的技術(shù)要求,實(shí)現(xiàn)了采充平行作業(yè),進(jìn)一步豐富了綠色開(kāi)采體系,提高了資源采出率,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[8]。

1.3 露天邊幫壓煤回收

近年來(lái),我國(guó)露天煤礦年產(chǎn)量突破5 億t,占年煤炭總產(chǎn)量比例的15%,邊幫壓煤總量已達(dá)到5 億t,年新增壓煤量2 000 萬(wàn)t,這些資源長(zhǎng)期得不到合理開(kāi)采,煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重。同時(shí),邊幫壓煤若不及時(shí)處理會(huì)危及礦山安全和生態(tài)環(huán)境。煤炭具有自燃屬性,露天開(kāi)采后,邊坡壓煤若長(zhǎng)時(shí)間接觸空氣,會(huì)產(chǎn)生自燃,嚴(yán)重影響煤田日常運(yùn)行,破壞礦山周邊生態(tài)環(huán)境,而維持邊坡壓煤的化學(xué)穩(wěn)定需大量人力和物力。短壁開(kāi)采技術(shù)為邊幫壓煤回收提供了新的思路,2015年至今,內(nèi)蒙古烏蘭露天煤礦利用連續(xù)采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)進(jìn)行邊幫開(kāi)采,日產(chǎn)最高可達(dá)3 000 t,噸煤成本低至20 元。

1.4 中小煤礦采煤機(jī)械化升級(jí)改造

我國(guó)采煤機(jī)械化率已達(dá)70.8%,意味著我國(guó)仍有30%的煤礦采用普采或高檔普采等技術(shù),這些煤礦大部分為中小煤礦,其特點(diǎn)是生產(chǎn)規(guī)模小、布局分散、勘探能力低、技術(shù)條件差、機(jī)械化水平低、生產(chǎn)環(huán)節(jié)不配套,采煤工作面布置不合理,管理混亂,安全作業(yè)隱患多,百萬(wàn)噸死亡率高,工作面采出率低于50%。在對(duì)中小型煤礦實(shí)行資源整合的同時(shí),亟需發(fā)展適合于中小煤礦的先進(jìn)的機(jī)械化采煤工藝及裝備?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》明確指出:“鼓勵(lì)采用先進(jìn)技術(shù),大力推進(jìn)中小型煤礦機(jī)械化,形成完善的技術(shù)服務(wù)體系”。

“十一五”、“十二五”期間,國(guó)家加快了煤礦關(guān)閉淘汰和整合改造速度,目前,全國(guó)煤礦數(shù)量?jī)H剩5 700處左右,在整合改造過(guò)程中,大量原有的礦井邊界資源形成有效采區(qū),而這些采區(qū)大部分為不規(guī)則塊段,需要特殊采煤方法進(jìn)行開(kāi)采。

短壁開(kāi)采技術(shù)具有較優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,短壁設(shè)備價(jià)格與長(zhǎng)壁價(jià)格之比為1 ∶5～1 ∶6,而短壁單產(chǎn)與長(zhǎng)壁單產(chǎn)之比為1 ∶2～1 ∶3(中小煤礦)[9],因此,該技術(shù)適合中小煤礦進(jìn)行機(jī)械化升級(jí)改造。

1.5 延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限

隨著煤炭資源的不斷開(kāi)發(fā)利用,位于全周期末端的廢棄礦井問(wèn)題逐步引起人們重視。預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)廢棄礦井將達(dá)到1.5 萬(wàn)處,直接關(guān)閉或廢棄不僅造成資源的巨大浪費(fèi)和國(guó)有資產(chǎn)流失(20～30億元/礦),還有可能誘發(fā)后續(xù)的安全、環(huán)境及社會(huì)等問(wèn)題。開(kāi)展廢棄礦井資源開(kāi)發(fā)利用研究,努力減少資源浪費(fèi)、變廢為寶,提高資源利用率,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,可推動(dòng)資源枯竭型城市的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

發(fā)展短壁開(kāi)采技術(shù),形成長(zhǎng)壁和短壁相互補(bǔ)充的開(kāi)采體系,是延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限的有效途徑。國(guó)家發(fā)改委2011年發(fā)布的《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》規(guī)定:煤礦資源采出率必須達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),鼓勵(lì)發(fā)展小型煤礦成套技術(shù)以及薄煤層采煤機(jī)械化、井下充填、“三下”采煤、邊角煤回收等提高資源回收率的采煤技術(shù)。

2 短壁開(kāi)采工藝和理論的發(fā)展歷程

連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)是煤炭安全高效開(kāi)采的重要組成部分,伴隨著房柱式采煤理論和實(shí)踐的不斷發(fā)展,短壁開(kāi)采技術(shù)以前所未有的速度發(fā)展起來(lái),在工作面布置、頂板控制、通風(fēng)方式等方面取得了重要進(jìn)展,為工作面安全高效生產(chǎn)提供了可靠保障。

2.1 短壁采煤工藝研究進(jìn)展

短壁采煤法于20世紀(jì)初誕生于美國(guó),直至20世紀(jì)40年代中期,連續(xù)采煤機(jī)的大量應(yīng)用使短壁采煤進(jìn)入了機(jī)械化高效開(kāi)采階段,經(jīng)過(guò)多年工藝演變,形成了目前以連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法、旺格維利采煤法、塊段式采煤法為主的3 類(lèi)代表性短壁開(kāi)采工藝,3類(lèi)開(kāi)采工藝的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化采煤工藝對(duì)比Table 1 Comparison of shortwall mining with the continuous miner

(1)連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法。該工藝是房式采煤工藝和房柱式采煤工藝的統(tǒng)稱(chēng),主要應(yīng)用在中厚煤層,有時(shí)也用于厚度較大的薄煤層。該工藝在美國(guó)、歐洲等國(guó)家應(yīng)用較普遍,其中美國(guó)井工開(kāi)采中有70%的煤炭產(chǎn)量,來(lái)源于該工藝,該工藝特點(diǎn)是:①多巷布置,通常為3～7 條巷道同時(shí)掘進(jìn),1～2 條進(jìn)風(fēng),1～2 條回風(fēng);②掘進(jìn)形成煤房,房間留設(shè)不同形狀的煤柱,采完煤房后有計(jì)劃回收煤柱或不回收煤柱;③多巷同時(shí)掘進(jìn),平行作業(yè),效率高,且可采掘合一,邊掘進(jìn)邊回收煤柱,煤柱回收方式多樣;④工作面布置較靈活(圖1),適用于邊角煤、不規(guī)則塊段開(kāi)采;⑤通風(fēng)方式采用全風(fēng)壓通風(fēng)結(jié)合風(fēng)簾方式,需要設(shè)置多組風(fēng)障導(dǎo)流,通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜,控風(fēng)難度大。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)房柱式采煤法工作面布置Fig.1 Panel layout of room and pillar mining with continuous miner

(2)旺格維利采煤法。該工藝是房柱式采煤工藝演變而來(lái),其利用頂板壓力拱免壓圈原理[8],將回采點(diǎn)置于免壓圈內(nèi),免壓圈內(nèi)留設(shè)窄煤柱(主要為刀間煤柱),將隔離保護(hù)煤柱或未回采區(qū)(寬煤柱或連續(xù)煤柱)作為主壓力拱的主要承載區(qū),提高了采出率。其煤柱一般分為刀間煤柱、護(hù)巷煤柱、隔離保護(hù)煤柱等幾種,根據(jù)地質(zhì)條件確定各類(lèi)煤柱尺寸。該工藝在澳大利亞、南非應(yīng)用較普遍,其中澳大利亞井工開(kāi)采中有45%的煤炭產(chǎn)量來(lái)源于該工藝,該工藝特點(diǎn)是:①工作面布置靈活。2016年之前,我國(guó)普遍應(yīng)用雙翼布置的旺格維利采煤法。雙翼對(duì)拉布置,萬(wàn)噸掘進(jìn)率低,可優(yōu)化支巷與回采巷道成90°夾角,降低二者銳角處垮幫隱患,同時(shí)增加回采寬度,提高工作面產(chǎn)量(圖2);雙翼折返式布置即左右翼分別為前進(jìn)式和后退式回采,將準(zhǔn)備支巷置于壓力顯現(xiàn)區(qū)之外,防止超前壓力對(duì)采場(chǎng)影響。雙翼布置因不能形成全風(fēng)壓通風(fēng),2016年后不允許使用,目前主要采用單翼布置,工作面布置如圖3所示。②相對(duì)房柱式采煤法,通風(fēng)構(gòu)筑物少,通風(fēng)管理費(fèi)用低。③頂板可采用全部垮落法管理,可配備2 臺(tái)履帶式行走支架臨時(shí)支撐頂板,作業(yè)安全系數(shù)高。

圖2 旺格維利采煤法單翼工作面布置Fig.2 Panel layout of wongawilli mining with double wings and two concentration roadway

(3)塊段式采煤法。該工藝是旺格維利采煤法在我國(guó)不斷優(yōu)化而來(lái),是短壁開(kāi)采技術(shù)的高級(jí)階段,通過(guò)將開(kāi)采區(qū)域劃分為若干矩形塊段,形成完整的全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)全部垮落法管理頂板,實(shí)現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)。該工藝在我國(guó)神東上灣、烏蘭木倫、榆家梁等煤礦成功應(yīng)用,平均采出率達(dá)80%。該工藝工作面布置如圖4所示,圖中字母代表開(kāi)采煤柱順序,順序依次為A,B,C,…,O,該工藝特點(diǎn)是:①可通過(guò)短塊段設(shè)計(jì)和多臺(tái)履帶式行走支架支護(hù)頂板來(lái)提高采出率,實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱完全垮落法管理頂板,但萬(wàn)噸掘進(jìn)率高;②對(duì)圍巖條件、煤層埋深要求較高,為實(shí)現(xiàn)全風(fēng)壓通風(fēng),需要支巷回采完畢后頂板方可垮落;③支巷長(zhǎng)度受自然發(fā)火周期制約性大。

2.2 煤柱相關(guān)理論研究進(jìn)展

在短壁開(kāi)采過(guò)程中,煤柱作為支護(hù)系統(tǒng)起到支撐頂板作用,同時(shí)也是回收對(duì)象,對(duì)煤柱的研究主要是解決煤柱回收過(guò)程中的安全、效率、環(huán)保問(wèn)題,主要針對(duì)大面積懸頂引起的頂板事故災(zāi)害、開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷、提高采出率等方面開(kāi)展相關(guān)理論研究。

煤柱回收方式主要分為兩大類(lèi):全部回收和部分回收。GIVENS 等[10]認(rèn)為應(yīng)將完全回收煤柱作為采煤的首要目標(biāo),不應(yīng)留設(shè)大尺寸煤柱阻止頂板發(fā)生適當(dāng)?shù)目迓浜蛷澢鲁?而MARK 等[11]則認(rèn)為應(yīng)留設(shè)合理的煤柱,并圍繞整體和局部穩(wěn)定的概念,建立了新的煤柱回收頂板控制理論,取代了傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)完全開(kāi)采,獲得了較理想的頂板控制效果,降低了頂板事故發(fā)生率。

圖3 旺格維利采煤法雙翼對(duì)拉式工作面布置Fig.3 Panel layout of wongawilli mining with single wing

圖4 塊段式采煤法工作面布置Fig.4 Panel layout of block and sectional mining

煤柱穩(wěn)定性決定著短壁開(kāi)采的空間和安全,在煤柱穩(wěn)定性研究方面,經(jīng)典的煤柱載荷理論有壓力拱理論、有效區(qū)域理論、兩區(qū)約束理論等,MARK 等[12]針對(duì)短壁采煤法研發(fā)了煤柱穩(wěn)定性分析法ARMPS 軟件,該軟件利用穩(wěn)定系數(shù)SF 衡量煤柱系統(tǒng)整體穩(wěn)定性,能夠在4 種加載條件下快速、方便地計(jì)算煤房和煤柱部分的穩(wěn)定系數(shù)和隔離煤柱,數(shù)據(jù)庫(kù)包含650 多個(gè)歷史案例,通過(guò)設(shè)定穩(wěn)定性系數(shù)SF 為1.5,成功預(yù)測(cè)了61%的成功案例和82%的失敗案例;CHAWLA等[13-14]通過(guò)數(shù)值模擬方法優(yōu)化了煤柱尺寸,證明了數(shù)值模擬方法可較好的反映實(shí)際工況;譚毅等[15]建立了采硐狹窄煤柱、條帶煤柱力學(xué)模型及尖點(diǎn)突變模型,指出了窄煤柱滿(mǎn)足發(fā)生尖點(diǎn)突變失穩(wěn)的必要條件,通過(guò)理論計(jì)算得出了煤柱突跳壓縮量的計(jì)算公式,并證實(shí)了該壓縮量對(duì)覆巖及地表的移動(dòng)有重要影響,為建筑物下的減沉開(kāi)采提供了新思路;徐金海等[16]利用最小勢(shì)能原理,建立了考慮頂板剛度及煤柱軟化與流變特性的煤柱時(shí)間相關(guān)穩(wěn)定性分析模型,得到了煤柱保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的必要條件以及煤柱保持穩(wěn)定的最小時(shí)間計(jì)算公式;王樹(shù)立[17]基于彈性薄板理論,分析短壁連采關(guān)鍵層極限跨距變化規(guī)律,建立了關(guān)鍵層區(qū)段順序失穩(wěn)控制區(qū)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,推導(dǎo)保證單區(qū)段關(guān)鍵層穩(wěn)定的隔離煤柱最小臨界寬度、煤柱協(xié)同順序破壞失穩(wěn)的隔離煤柱最大臨界寬度等參數(shù)。中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司利用采場(chǎng)模擬試驗(yàn)臺(tái),開(kāi)展了短壁工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律的物理相似模擬試驗(yàn)分析,得到了一定的采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律和頂板的垮落特征[8]。

在短壁開(kāi)采地表沉陷控制方面,主要采用地表觀(guān)測(cè)、煤柱變形觀(guān)測(cè)和數(shù)值模擬等方法,捷克Ostrava-Karviná 煤礦應(yīng)用改進(jìn)后的房柱式采煤法開(kāi)采“三下”壓煤,利用煤柱支撐法消除地表環(huán)境影響,經(jīng)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)表明,煤柱變形和承載能力穩(wěn)定,該采煤法對(duì)地表結(jié)構(gòu)的影響程度小[18];ANDRE 等[19]通過(guò)數(shù)值模擬方法,得到了不同煤柱尺寸和開(kāi)采順序?qū)Φ乇沓料莸挠绊懸?guī)律,并通過(guò)地表沉陷觀(guān)測(cè)和煤柱穩(wěn)定系數(shù)SF 計(jì)算,證明了數(shù)值模擬方法的有效性。

2.3 短壁開(kāi)采頂板控制技術(shù)研究進(jìn)展

頂板控制技術(shù)是短壁開(kāi)采研究的核心內(nèi)容之一,文獻(xiàn)[20-22]系統(tǒng)闡述了短壁開(kāi)采頂板控制技術(shù),主要包括煤柱支護(hù)技術(shù)、支架切頂技術(shù)、爆破卸壓強(qiáng)制放頂技術(shù)、水力預(yù)裂技術(shù)、煤矸充填技術(shù),針對(duì)三角區(qū)的頂板控制,采用補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)、增大支護(hù)斷面、減小采硐開(kāi)口長(zhǎng)度、控制抹角跨度、跨度較大處增打木點(diǎn)柱等方法;文獻(xiàn)[23]提出了工藝極限回采煤工作面積與應(yīng)力極限回采煤工作面積概念,采用“強(qiáng)制放頂+小步距自然垮落”的全垮落控制模式管理頂板,有效保證回采工藝安全;我國(guó)自主研制的鏈臂切頂機(jī)[24]實(shí)現(xiàn)了機(jī)械切頂,代替爆破預(yù)裂工藝,為卸壓放頂技術(shù)提供了新的技術(shù)思路。

3 短壁開(kāi)采裝備的發(fā)展歷程

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采裝備經(jīng)歷了從無(wú)到有、由弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變,整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,相繼研發(fā)了連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、給料破碎機(jī)、履帶行走式液壓支架、錨桿鉆車(chē)、鏟車(chē)、梭車(chē)、連續(xù)采煤機(jī)、柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)等系列化、成套化短壁機(jī)械化開(kāi)采裝備產(chǎn)品,形成了從煤柱及不規(guī)則塊段開(kāi)采到露天壓煤回收、適應(yīng)于我國(guó)不同煤層賦存地質(zhì)條件和開(kāi)采條件的、具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備體系。

目前,國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司、廊坊景隆重工機(jī)械有限公司、江蘇天明機(jī)械集團(tuán)有限公司等企業(yè)從事連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采裝備的研發(fā)和制造,其中中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采裝備研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè),依托國(guó)家及省部級(jí)等科研項(xiàng)目、煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展持續(xù)攻關(guān),研發(fā)生產(chǎn)了包括連續(xù)采煤機(jī)在內(nèi)的短壁機(jī)械化全系列裝備,廣泛應(yīng)用于井下短壁開(kāi)采、巷道掘進(jìn)、鉀鹽礦開(kāi)采、露天邊幫開(kāi)采等領(lǐng)域,成為國(guó)內(nèi)惟一的短壁成套技術(shù)與裝備供應(yīng)商。2003年,中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)成立了短壁機(jī)械化開(kāi)采專(zhuān)業(yè)委員會(huì),并將其掛靠中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,每2年組織召開(kāi)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì),進(jìn)一步推動(dòng)了連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采的發(fā)展。

3.1 連續(xù)采煤機(jī)

連續(xù)采煤機(jī)是一種集截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)、行走、降塵于一體的綜合機(jī)組,是短壁機(jī)械化開(kāi)采的核心裝備,自20世紀(jì)40年代第1 臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)問(wèn)世以來(lái),目前已形成滾筒式、截割鏈?zhǔn)健⒙菪@式、全斷面式(按截割機(jī)構(gòu)形式分類(lèi))4 種類(lèi)型產(chǎn)品,其中以滾筒式連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)用最為廣泛,國(guó)外主要生產(chǎn)商有小松JOY,CAT,Eickhoff,Aker Wirth 等,其中小松JOY 產(chǎn)品性能較穩(wěn)定,市場(chǎng)占有率最高,系列化型譜較齊全。目前,各國(guó)連續(xù)采煤機(jī)制造企業(yè)已推出采高0.6～4.7 m、截割功率118～520 kW、整機(jī)質(zhì)量20～100 t、40 余種型號(hào)的系列化產(chǎn)品[25]。

我國(guó)于20世紀(jì)90年代初開(kāi)始對(duì)連續(xù)采煤機(jī)裝備進(jìn)行基礎(chǔ)性研究,因相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)無(wú)法突破,使連續(xù)采煤機(jī)長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口。2008年,在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“煤炭資源高效采選關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的支撐下,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制成功國(guó)產(chǎn)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī),該機(jī)質(zhì)量65 t,截割功率340 kW,采高2.6～4.6 m,先后在神東大柳塔礦、烏蘭木倫礦進(jìn)行了13 個(gè)月的巷道掘進(jìn)、短壁開(kāi)采工業(yè)性試驗(yàn),其中在烏蘭木倫礦短壁工作面生產(chǎn)192 d,累計(jì)采硐1 059 個(gè),進(jìn)尺12 377 m,共產(chǎn)煤48.5 萬(wàn)t,試驗(yàn)表明,EML340 型連續(xù)采煤機(jī)在性能和技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)機(jī)型的先進(jìn)水平,在對(duì)特定地質(zhì)條件的適應(yīng)性、性?xún)r(jià)比、使用成本上均優(yōu)于引進(jìn)設(shè)備。在EML340-26/45 型連續(xù)采煤機(jī)成功研制的基礎(chǔ)上,相繼衍生出EML340-18/35,EML340-18/35F,EML340-33/55,EML340-13/25(圖5)等機(jī)型,采高覆蓋1.3～5.5 m,滿(mǎn)足分體下井、中厚偏薄至大采高煤層開(kāi)采,并針對(duì)鉀鹽礦開(kāi)采和露天邊幫開(kāi)采特點(diǎn),研制了EJL340-26/45 和EML340-33/55BP 兩種機(jī)型,部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)出口。

圖5 EML340-13/25 型連續(xù)采煤機(jī)Fig.5 EML340-13/25 continuous miner

在連續(xù)采煤機(jī)研制過(guò)程中,通過(guò)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān),突破了一批關(guān)鍵技術(shù),代表性成果如下:

(1)千伏級(jí)交流變頻牽引調(diào)速技術(shù)。針對(duì)整機(jī)快速調(diào)動(dòng)、截割牽引匹配等技術(shù)難題,在履帶式驅(qū)動(dòng)裝置上首次采用直接1 140 V 四象限交流變頻調(diào)速技術(shù),根據(jù)不同工況自動(dòng)調(diào)節(jié)掏槽速度,調(diào)速范圍廣、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)。

(2)截割-牽引反饋控制技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)高效截割,解決截割電機(jī)頻繁過(guò)載的難題,與西安交通大學(xué)合作,開(kāi)展了連續(xù)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力匹配理論研究[26],開(kāi)發(fā)了牽引動(dòng)力匹配算法,實(shí)車(chē)測(cè)試功率匹配結(jié)果與理論計(jì)算值誤差在10%左右;采用模糊控制方法調(diào)節(jié)行走速度,實(shí)現(xiàn)了截割牽引反饋閉環(huán)控制[27]。

(3)無(wú)軸承行星傳動(dòng)技術(shù)。為解決低速、重載、尺寸受限的行星傳動(dòng)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度、等壽命設(shè)計(jì)的難題,與中科院有關(guān)院所合作開(kāi)發(fā)了抗拉強(qiáng)度1 200 MPa、HRC40 的行星減速器用銅基合金行星軸,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了減速器內(nèi)部油液循環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)行走減速器高可靠性設(shè)計(jì)[28]。

(4)擺動(dòng)式刮板輸送技術(shù)。連續(xù)采煤機(jī)采用輸送機(jī)尾擺動(dòng)式運(yùn)輸,為改善刮板鏈在運(yùn)輸槽內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)性和提高刮板鏈的使用壽命,建立了補(bǔ)償凸輪輪廓曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,提出了補(bǔ)償凸輪輪廓曲線(xiàn)的精確設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)式刮板運(yùn)輸高可靠性[29]。

(5)高效機(jī)載濕式除塵技術(shù)。為解決短壁工作面粉塵防治的難題,與德國(guó)CFT 公司合作開(kāi)發(fā)了機(jī)載濕式除塵器,采用濾網(wǎng)表面超疏水改性技術(shù)和雙面兩級(jí)流線(xiàn)形氣液分離技術(shù),綜合除塵效率達(dá)97%。

三一重型裝備有限公司、徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司、石家莊煤礦機(jī)械有限公司等單位研制出多款連續(xù)采煤機(jī),進(jìn)一步豐富我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)的類(lèi)型。

近年來(lái),在連續(xù)采煤機(jī)安全和環(huán)境方面,國(guó)外在濕式滾筒降塵技術(shù)、雙鏈輪鏈條運(yùn)輸系統(tǒng)降噪技術(shù)、新材料降噪技術(shù)、基于流場(chǎng)模擬的除塵系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)開(kāi)展試驗(yàn)性研究;在連續(xù)采煤機(jī)智能化方面,澳大利亞CRISO 組織開(kāi)發(fā)了連續(xù)采煤機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng),美國(guó)NIOSH 組織開(kāi)發(fā)了連續(xù)采煤機(jī)人機(jī)防碰撞技術(shù),并應(yīng)用于小松JOY 部分機(jī)型上;在提高連續(xù)采煤機(jī)截割能力方面,俄羅斯S.A.PROKOPENKO 等[30]研制了一種可更換合金頭的截齒,合金頭采用微型滾刀,滾刀與齒柄通過(guò)螺紋銷(xiāo)連接,因刃口磨損均勻,其壽命高于傳統(tǒng)鎬型截齒。

3.2 錨桿鉆車(chē)

錨桿鉆車(chē)是用于短壁開(kāi)采中巷道掘進(jìn)的安全高效錨桿支護(hù)設(shè)備,按行走方式分為履帶行走式和膠輪行走式,按鉆臂數(shù)量分為單臂、雙臂、四臂等;按動(dòng)力源分有電纜供電或其他動(dòng)力,按除塵方式分干式和濕式, 國(guó)外主要生產(chǎn)商有 J.H.FLETCHER, CAT,HYDRAMATIC,JOHN FINLAY 等,已經(jīng)形成了功能齊全、性能可靠、適用于不同的地質(zhì)條件和巷道斷面系列化產(chǎn)品。

2001年,在國(guó)家科技部科研院所專(zhuān)項(xiàng)資金資助下,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司成功研制了CMM4-25 型錨桿鉆車(chē)[31](圖5),實(shí)現(xiàn)了日最高支護(hù)384 根,班最高140 根的支護(hù)水平,相比單體液壓鉆機(jī)支護(hù)效率提升了4～5 倍。后續(xù)相繼研制了CMM4 - 20, CMM5 - 25, CMM6 - 20, CMM8 - 25,CMM10-30,CMM2-25 等機(jī)型,涵蓋適應(yīng)巷道高度1.8～6 m,整機(jī)質(zhì)量17～50 t,其中CMM10-30 型錨桿鉆車(chē)采用跨騎式設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)在其下方相對(duì)穿行,從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)作業(yè)與運(yùn)輸平行作業(yè);系列化錨桿鉆車(chē)實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售100 余臺(tái),在國(guó)能、中煤、兗礦、陜煤等礦區(qū)推廣使用,受到用戶(hù)一致好評(píng),現(xiàn)已全部替代進(jìn)口,部分產(chǎn)品已出口至加拿大、老撾、印度等國(guó)家。

國(guó)產(chǎn)錨桿鉆車(chē)的主要技術(shù)特點(diǎn):

(1)高可靠性無(wú)偏載鉆架。突破高可靠性免調(diào)整平穩(wěn)導(dǎo)向方式、無(wú)偏載對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)布置、進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),采用雙圓柱導(dǎo)向、兩根油缸對(duì)稱(chēng)布置和雙鏈傳動(dòng),解決了鉆進(jìn)偏載的技術(shù)問(wèn)題。

圖6 CMM2-25 型錨桿鉆車(chē)Fig.6 CMM2-25 bolter

(2)集成式真空負(fù)壓三級(jí)除塵技術(shù)。針對(duì)支護(hù)鉆孔粉塵處理的難題,創(chuàng)新研制由旋流器、重力沉降室、濾芯除塵器構(gòu)成的三級(jí)除塵系統(tǒng),除塵箱與動(dòng)力裝置集成一體,管路顯著縮短,降低了延程損失,提高了除塵效率。創(chuàng)新采用阻抗復(fù)合式消聲器,抗性消聲部和阻性消聲部分別置于氣流入口和出口端,即前抗后阻,解決了該除塵系統(tǒng)降噪難題。

(3)高效模塊化卷纜裝置。采用碳刷滑環(huán)理論和雙螺旋組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電纜的自動(dòng)卷放和同步往復(fù)擺放,避免了人為收放電纜時(shí)工人經(jīng)常被擠傷的事故,消除了安全隱患。

(4)鉆機(jī)電液控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)由近距液控操作向遙控操作的跨越,提高了鉆孔操作安全性。

在錨桿鉆車(chē)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了MZHB2-1200/20,MZHB4 -1200/25,MZHB5 -1200/25,MZHB6 -1200/20 系列化錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組(圖7),集轉(zhuǎn)載、破碎和錨桿支護(hù)功能于一體,實(shí)現(xiàn)了錨桿支護(hù)與轉(zhuǎn)載平行作業(yè)。

圖7 MZHB6-1200/20 型錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組Fig.7 MZHB6-1200/20 bolter conveyor

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外錨桿鉆車(chē)主要在鉆機(jī)智能化、鉆架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆孔防塵方面開(kāi)展。中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自動(dòng)錨索鉆機(jī)[32](圖8),實(shí)現(xiàn)了錨索鉆孔自動(dòng)接續(xù),采用機(jī)械手自動(dòng)續(xù)裝釬桿,旋轉(zhuǎn)式釬桿倉(cāng)一次可存儲(chǔ)9 根,最大鉆孔深度可達(dá)11 m,鉆孔用時(shí)15 min,近期,第2 代自動(dòng)錨索鉆機(jī)已在黃陵二礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

圖8 自動(dòng)錨索鉆機(jī)Fig.8 Automatic anchor cable drill

同時(shí),由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制的全自動(dòng)兩臂錨桿鉆車(chē)已至神東大柳塔礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)[33](圖9),該鉆車(chē)將實(shí)現(xiàn)側(cè)幫和頂板全自動(dòng)化支護(hù),即自主完成定位、掛網(wǎng)、鉆孔、上藥卷、裝錨桿、緊固錨桿等錨桿支護(hù)的全部工序。

圖9 全自動(dòng)兩臂錨桿鉆車(chē)Fig.9 Fully automatic two boom bolter

在鉆架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,小松JOY,Sandvik 等公司通過(guò)進(jìn)給油缸兼做導(dǎo)向柱,實(shí)現(xiàn)了鉆架輕量化和小型化,同時(shí)液壓管路也大幅減少;在鉆孔防塵方面,J.H.FLETCHER 公司開(kāi)發(fā)第3 代錨桿鉆車(chē)頂棚空氣幕[34],其原理是利用帶過(guò)濾功能的鼓風(fēng)機(jī)將過(guò)濾后的新鮮氣流通過(guò)管路輸送至頂棚下的增壓室,并通過(guò)增壓室周邊的噴嘴噴出形成空氣幕,空氣幕覆蓋錨桿司機(jī)周邊形成保護(hù)區(qū),從而阻止粉塵進(jìn)入保護(hù)區(qū)。增壓室采用鍍鋁設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重,噴嘴采單排布置保證氣流均勻性,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,該裝置在進(jìn)風(fēng)側(cè)的控塵效率約26%～60%,而回風(fēng)側(cè)為3%～47%。

3.3 梭 車(chē)

梭車(chē)是連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備,其功能是在連續(xù)采煤機(jī)和給料破碎機(jī)之間往返進(jìn)行煤炭的短距運(yùn)輸。經(jīng)歷了柴油機(jī)式、蓄電池式、電纜式3 代產(chǎn)品,目前,電纜式梭車(chē)因可靠性高、低運(yùn)行成本和開(kāi)機(jī)率高等特點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用,國(guó)外主要生產(chǎn)商有小松JOY,Phillips,Sandvik 等公司,其中小松JOY 梭車(chē)產(chǎn)品系列最為全面,涵蓋8～30 t 輕重機(jī)型。

2007年,在山西省科技創(chuàng)新項(xiàng)目支持下,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)SC10/182 型梭車(chē),并相繼研制了SC15/185,SC15/182F[35]等機(jī)型(圖10),載質(zhì)量10 或15 t,裝機(jī)功率182 kW,適應(yīng)薄煤層至大采高開(kāi)采,系列化產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高,廣泛應(yīng)用在陜蒙地區(qū),單機(jī)最長(zhǎng)服役近5 a,期間無(wú)升井大修,同時(shí)研制了SC15/182J 梭車(chē),用于鉀鹽礦開(kāi)采。

圖10 SC15/185F 型梭車(chē)Fig.10 SC15/185F shuttle car

國(guó)產(chǎn)梭車(chē)的主要技術(shù)特點(diǎn):

(1)空間連桿四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向,采用空間連桿機(jī)構(gòu),輪胎兩側(cè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng),無(wú)差速裝置,在近似滿(mǎn)足阿克曼定理前提下通過(guò)空間連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑最優(yōu),轉(zhuǎn)彎半徑為內(nèi)3.5 m/外7.3 m,同時(shí)避免了輪胎滑移和電機(jī)發(fā)熱。

(2)重載輪邊減速器。該型減速器具有傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向和支撐三重功能,通過(guò)內(nèi)置球籠式萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能,轉(zhuǎn)彎半徑小意味著較大的球籠擺角,而擺角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致密封從球籠滑脫造成漏油、傳動(dòng)效率下降,通過(guò)選型結(jié)構(gòu)合理的球籠聯(lián)軸器,并開(kāi)發(fā)了與之匹配的球面密封,在比較逼近優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)盡可能增加球籠的擺角,從而防止密封失效。

3.4 連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)

連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)是短壁開(kāi)采后配套運(yùn)輸設(shè)備,具有運(yùn)輸、破碎、轉(zhuǎn)載等功能,與連續(xù)采煤機(jī)和帶式輸送機(jī)配套實(shí)現(xiàn)落煤、裝煤、運(yùn)煤機(jī)械化。國(guó)外主要生產(chǎn)商有CAT,Fairchild,Oldenburg·Syamler 等公司,各公司產(chǎn)品有所差異,但其共同特點(diǎn)是均由一系列橋式轉(zhuǎn)載機(jī)組成。

2002年,國(guó)內(nèi)首套LY1500/865-10 型連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)研制成功,在此基礎(chǔ)上,相繼研制出LY2000/980-10(圖11),LY2000/980-10C,LY600/577-10 等機(jī)型,涵蓋輸送能力600～2 000 t/h,總功率577～980 kW,轉(zhuǎn)載機(jī)水平擺動(dòng)角度≥±60°,垂直擺動(dòng)≥±7.5°,搭接方式為平行式或重疊式,系統(tǒng)由給料破碎機(jī)、多臺(tái)行走橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、多臺(tái)跨騎橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、滑移小車(chē)、卸料小車(chē)等單元組成,單元之間通過(guò)球形滑動(dòng)軸承和聯(lián)接銷(xiāo)鉸接[36]。國(guó)產(chǎn)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)在神東礦區(qū)應(yīng)用16 套,短壁回采工作面年產(chǎn)量超過(guò)220 萬(wàn)t,最高月產(chǎn)量超過(guò)21 萬(wàn)t,最高日產(chǎn)量超過(guò)1 萬(wàn)t。在近水平煤層開(kāi)采中梭車(chē)+給料破碎機(jī)組成的間斷運(yùn)輸系統(tǒng)因調(diào)動(dòng)靈活、工作面抹角較小,逐步取代了連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的作用,而針對(duì)8°以上緩傾斜煤層開(kāi)采中,連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)仍具有更優(yōu)的適應(yīng)性。

圖11 LY2000/980-10 型連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.11 LY2000/980-10 continuous conveyor system

3.5 履帶行走式液壓支架

履帶行走式液壓支架是短壁開(kāi)采支護(hù)設(shè)備,將連續(xù)采煤機(jī)割煤后新暴露的頂板及時(shí)支護(hù),消除大面積懸頂對(duì)安全生產(chǎn)造成的隱患,同時(shí)具有切頂、逃逸功能,為工作面完全垮落法管理頂板提供了技術(shù)保障[37]。國(guó)外主要生產(chǎn)商有J.H FLETCHER、SANDVIK 等公司,其中J.H FLETCHER 公司產(chǎn)品型譜較齊全,已累計(jì)生產(chǎn)200 余臺(tái),支護(hù)高度0.8～5.5 m、工作阻力5 450～7 260 kN,最大行走速度27 m/min。

2000年6月,國(guó)產(chǎn)首臺(tái)ZX7000/24.5/46 型履帶行走式液壓支架投入使用,該機(jī)支撐高度2.45～4.6 m,工作阻力7 000kN,初撐力為1 500～3 700 kN,在初撐力、地隙、接地比壓等指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)機(jī)型;隨后,根據(jù)不同地質(zhì)條件的要求,相繼研制出ZX7000/17/30,ZX7000/25.5/50(圖12),ZX7000/22/43,ZX4500/15/27 等機(jī)型,相繼在神東、兗州礦區(qū)使用,提高了連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率和工作面安全性。

3.6 防爆膠輪鏟車(chē)

礦用防爆膠輪鏟車(chē)是短壁開(kāi)采輔助運(yùn)輸設(shè)備,其主要作用是清理浮煤、運(yùn)輸煤炭、搬運(yùn)機(jī)電設(shè)備和物料、拖拽機(jī)車(chē)及其他設(shè)備等,其中用于清理浮煤可提高連續(xù)采煤的生產(chǎn)效率,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。鏟車(chē)主要分為蓄電池式和內(nèi)燃機(jī)式,近年來(lái),隨著充電技術(shù)及蓄電池裝置性能的提高,使蓄電池鏟車(chē)廣泛應(yīng)用。國(guó)外主要生產(chǎn)商有CAT、小松JOY 等公司,最具有代表性的車(chē)型有CAT 公司的482,488,488GLBC 型防爆鏟車(chē)。

圖12 ZX7000/25.5/50 型履帶行走式液壓支架Fig.12 ZX7000/25.5/50 mobile roof support with crawler frame

2007年,國(guó)內(nèi)首臺(tái)CLX3 型防爆膠輪鏟車(chē)投入使用,該產(chǎn)品采用前后車(chē)架鉸接式、防爆特殊型鉛酸蓄電池裝置供電、行走IGBT 直流調(diào)速等技術(shù),鏟斗容量3.28 m3、轉(zhuǎn)彎半徑7.18 m[38],其性能指標(biāo)均超過(guò)進(jìn)口482,488 機(jī)型,部分指標(biāo)接近或達(dá)到488GLBC型鏟車(chē)。隨后,在CLX3 型防爆膠輪鏟車(chē)的基礎(chǔ)上,WJX-10FB 防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)研制成功(圖13),其后驅(qū)動(dòng)橋通過(guò)擺架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)架與地面的適應(yīng)性,通過(guò)直交逆變交流變頻調(diào)速,實(shí)現(xiàn)鏟車(chē)無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)速。

圖13 WJX-10FB 防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)Fig.13 WJX-10FB explosion proof lead acid battery forklift

3.7 柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)

柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)是短壁開(kāi)采連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備,與傳統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)采用刮板式、多跨騎轉(zhuǎn)載不同的是,該系統(tǒng)采用可彎曲膠帶運(yùn)輸、重疊膠帶搭接,具有轉(zhuǎn)載點(diǎn)少、運(yùn)距長(zhǎng)、移動(dòng)靈活等特點(diǎn)。目前國(guó)外主要有小松JOY,Klockner-becorit 和D.M.E 等公司生產(chǎn)該產(chǎn)品,其中小松JOY 產(chǎn)品技術(shù)成熟度最高,其通過(guò)控制膠帶預(yù)緊力的方法,使膠帶兩邊在張力作用下呈弧形,機(jī)體由若干框架球形鉸接而成,若干組框架中有一組下面通過(guò)單履帶驅(qū)動(dòng),并通過(guò)轉(zhuǎn)向油缸轉(zhuǎn)向,最小轉(zhuǎn)彎半徑8.5 m,最大運(yùn)距168 m,運(yùn)量10.9～13.6 t/min。

2013年,中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司從膠帶機(jī)搭接、輸送、延伸3 要素攻關(guān),突破膠帶機(jī)長(zhǎng)距離往復(fù)搭接、小半徑轉(zhuǎn)彎輸送、回采巷道膠帶主動(dòng)延伸等關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)新研制了DZY100/160/135 柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)(圖14),該系統(tǒng)由移動(dòng)式帶式輸送機(jī)、邁步式自移機(jī)尾、穿梭動(dòng)力站構(gòu)成[32],膠帶寬度1 m,運(yùn)輸能力1 600 t/h,驅(qū)動(dòng)滾筒功率3×45 kW。該系統(tǒng)跟隨連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)輸作業(yè),也可由給料破碎機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)破煤、運(yùn)煤一體化;通過(guò)位姿鎖定的蛇形關(guān)節(jié)架體,可水平和豎直方向擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)8 m 半徑90°重載輸送;輸送機(jī)采用膠輪被動(dòng)牽引行走,自移動(dòng)力站實(shí)現(xiàn)退機(jī),通過(guò)偏置擺動(dòng)式油氣懸掛自動(dòng)調(diào)平機(jī)身,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)平穩(wěn)運(yùn)輸物料,適應(yīng)巷道起伏;采用重疊膠帶搭接技術(shù),電纜通過(guò)自動(dòng)拖纜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng),機(jī)尾通過(guò)邁步式自移,最大搭接長(zhǎng)度150 m。2019年,適應(yīng)膠帶寬度0.8 m 的DZY80/120/90 柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)順利下線(xiàn)。柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)已在國(guó)能、陜煤、陽(yáng)煤等集團(tuán)應(yīng)用7 套,實(shí)現(xiàn)了煤炭高效、連續(xù)運(yùn)輸,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖14 柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.14 Flexible continuous conveyor system

4 存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐表明,在條件適宜的礦區(qū)采用連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行煤柱、不規(guī)則塊段等資源的回收具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。然而,我國(guó)在該技術(shù)的推廣使用中暴露出技術(shù)規(guī)范不健全、相關(guān)技術(shù)運(yùn)用不充分、安全措施不到位等問(wèn)題,造成了一定的安全事故,極大限制了該技術(shù)的推廣使用。

4.1 技術(shù)規(guī)范的齊全性

技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)短壁開(kāi)采活動(dòng)和裝備研制的技術(shù)準(zhǔn)則,是作業(yè)安全性的重要保障。國(guó)外經(jīng)過(guò)多年技術(shù)積累,形成了成熟的短壁開(kāi)采工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),早在1989年,澳大利亞發(fā)布了連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(MDG17),圍繞操作安全、制動(dòng)系統(tǒng)、噪音、液壓系統(tǒng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量及檢測(cè)等均給出了相應(yīng)規(guī)定。我國(guó)直至2016年才將連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)納入《煤礦安全規(guī)程》,對(duì)連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采中的通風(fēng)、防滅火、頂板管理等方面進(jìn)行了規(guī)定,而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上,我國(guó)至今沒(méi)有發(fā)布任何連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),一定程度上限制了該技術(shù)水平升級(jí)和推廣應(yīng)用。

相關(guān)科研院所、行業(yè)協(xié)會(huì)和煤炭生產(chǎn)企業(yè)對(duì)該技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究。2014年,由中國(guó)神華能源股份有限公司、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司合作完成的“連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)與開(kāi)采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和重要標(biāo)準(zhǔn)研究”項(xiàng)目順利完成,該項(xiàng)目提出了連續(xù)采煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)與裝備標(biāo)準(zhǔn)體系,該標(biāo)準(zhǔn)體系分為3 個(gè)層次,涉及掘進(jìn)與開(kāi)采技術(shù)、設(shè)備研制、設(shè)備選型、安全保障技術(shù)及設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)6 個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域,共計(jì)56 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條目,同時(shí)制定了《連續(xù)采煤機(jī)機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)規(guī)范》、《連續(xù)采煤機(jī)采掘成套裝備選型技術(shù)規(guī)范》、《連續(xù)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和性能要求》等7 項(xiàng)國(guó)家能源集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)進(jìn)一步規(guī)范連續(xù)采煤機(jī)短壁開(kāi)采技術(shù)和成套裝備的生產(chǎn)制造起到重要的促進(jìn)作用。2017年,由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司、神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司、三一重型裝備有限公司合作起草的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連續(xù)采煤機(jī) 出廠(chǎng)檢驗(yàn)規(guī)范》通過(guò)了煤炭行業(yè)煤礦專(zhuān)用設(shè)備技術(shù)委員會(huì)掘進(jìn)機(jī)械分會(huì)報(bào)批,但目前未正式發(fā)布,目前按懸臂式掘進(jìn)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為型式檢驗(yàn)依據(jù),因相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的差異性,懸臂式掘進(jìn)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法全面衡量連續(xù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo),相關(guān)要求指標(biāo)具有不合理性,且一些主要性能指標(biāo)沒(méi)有規(guī)定。

4.2 短壁開(kāi)采技術(shù)的先進(jìn)性

短壁開(kāi)采技術(shù)包括采煤工藝和設(shè)備選型等方面,是一套具有工藝完善、安全保障齊全、裝備專(zhuān)用化的采煤方法。采煤工藝涵蓋短壁工作面設(shè)計(jì)、巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、頂板管理、通風(fēng)、自然發(fā)火防治、粉塵防治、瓦斯防治等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

短壁開(kāi)采工藝主要指連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采工藝,它是在全風(fēng)壓通風(fēng)、全部垮落法管理頂板、安全出口≥2 個(gè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)完整的開(kāi)采適應(yīng)性評(píng)估、礦壓監(jiān)測(cè)后,進(jìn)行工作面設(shè)計(jì)和設(shè)備選型,最大限度的保證生產(chǎn)安全;同時(shí)采用梭車(chē)作為短壁運(yùn)輸設(shè)備,具有運(yùn)量大、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn),一臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)只需配置一臺(tái)梭車(chē)即可,減少工作面作業(yè)人數(shù);采用履帶行走式液壓支架對(duì)頂板的支護(hù)作用,有效消除了頂板垮落、煤柱壓力過(guò)大導(dǎo)致的片幫等安全隱患。

4.3 短壁開(kāi)采的安全問(wèn)題

短壁開(kāi)采的安全問(wèn)題主要為采空區(qū)頂板大面積垮落問(wèn)題。根據(jù)短壁工作面布置特點(diǎn),需要待支巷全部回采完畢實(shí)施密閉后方可強(qiáng)制放頂,而一方面,當(dāng)遇到頂板條件較差時(shí),回采期間采硐直接頂可能垮落,造成工作面粉塵增加的安全隱患,甚至出現(xiàn)支巷頂板垮落造成工作面風(fēng)流通過(guò)垮落的采空區(qū)回風(fēng)、安全出口減少至1 個(gè)的現(xiàn)象,這種情況需要充分利用履帶行走式液壓支架支護(hù)作用防止支巷頂板垮落,同時(shí)采取針對(duì)性的防塵、防滅火措施;另一方面,部分礦井使用履帶行走式液壓支架的實(shí)踐表明,采空區(qū)直接頂基本可實(shí)現(xiàn)垮落,但存在局部直接頂不能及時(shí)垮落的情況,需要通過(guò)強(qiáng)制放頂技術(shù)消除直接頂大面積懸空隱患,而支巷密閉后頂板的垮落情況和垮落時(shí)間都難以監(jiān)測(cè),給強(qiáng)制放頂時(shí)機(jī)的計(jì)算帶來(lái)了困難。

5 發(fā)展方向與建議

40 a 來(lái),我國(guó)連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)與裝備得到了長(zhǎng)足發(fā)展,取得了一批重大原創(chuàng)性成果,為我國(guó)煤炭資源的高效開(kāi)發(fā)做出突出貢獻(xiàn)。然而,我國(guó)各礦區(qū)煤層賦存條件、相關(guān)從業(yè)人員綜合素質(zhì)、施工管理水平等方面存在較大差異。因此,需要結(jié)合我國(guó)煤礦開(kāi)采實(shí)際條件,因地制宜,精準(zhǔn)施策,逐步發(fā)展和完善短壁開(kāi)采技術(shù)與裝備體系。進(jìn)入“十四五”時(shí)期,圍繞煤礦智能化主題,為進(jìn)一步降低短壁工作面施工風(fēng)險(xiǎn)、減少工作面作業(yè)人員,擴(kuò)大短壁開(kāi)采技術(shù)的適應(yīng)范圍,實(shí)現(xiàn)不同賦存條件下煤柱、不規(guī)則塊段、邊角煤等資源的高效回收,針對(duì)該領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題,提出以下短壁開(kāi)采技術(shù)與裝備的發(fā)展建議。

5.1 短壁開(kāi)采基礎(chǔ)理論和方法

短壁開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其所面臨的對(duì)象是復(fù)雜多變的煤巖體,利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代手段進(jìn)一步研究我國(guó)各礦區(qū)煤炭賦存條件的分布規(guī)律,開(kāi)展短壁開(kāi)采技術(shù)的適應(yīng)性研究,形成科學(xué)、完善的短壁適應(yīng)性技術(shù)評(píng)價(jià)體系。

(1)進(jìn)一步深入研究短壁開(kāi)采礦壓理論,為短壁頂板管理提供理論支撐。與長(zhǎng)壁綜采技術(shù)相比,目前我國(guó)對(duì)短壁開(kāi)采的礦壓理論仍不完善,短壁工作面布置形狀各異,并留設(shè)了硐間煤柱、隔離保護(hù)煤柱、支巷煤柱等不同規(guī)格的煤柱,頂板無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨采隨冒,需要研究各類(lèi)煤柱與直接頂、基本頂?shù)南嗷プ饔脵C(jī)理,研究覆巖結(jié)構(gòu)的演化特征和穩(wěn)定性,掌握直接頂時(shí)空垮落規(guī)律,掌握基本頂?shù)臄嗔研螒B(tài)、裂隙場(chǎng)發(fā)育及擴(kuò)展機(jī)理,從而實(shí)現(xiàn)頂板災(zāi)害預(yù)警和防控。

(2)在礦井地質(zhì)透明化的基礎(chǔ)上[39-40],進(jìn)一步探索新型煤柱和頂板監(jiān)測(cè)技術(shù)。開(kāi)展隨鉆測(cè)量技術(shù)研究,通過(guò)研究錨桿支護(hù)鉆孔過(guò)程轉(zhuǎn)矩與圍巖特性的耦合關(guān)系,形成支巷頂板特性動(dòng)態(tài)地圖,為回采的頂板特性提供相對(duì)可靠的參考。此外,當(dāng)支巷密閉后,如何監(jiān)測(cè)煤柱的應(yīng)力情況和頂板的垮落情況是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),需要進(jìn)一步攻關(guān)研究。

(3)進(jìn)一步開(kāi)展短壁開(kāi)采方法研究,拓寬其適應(yīng)范圍。針對(duì)不穩(wěn)定、易冒落頂板條件,應(yīng)探索掩護(hù)式液壓支架與連續(xù)采煤機(jī)或短壁采煤機(jī)相結(jié)合的開(kāi)采方法;針對(duì)厚煤層煤柱及不規(guī)則塊段開(kāi)采,應(yīng)開(kāi)展連續(xù)采煤機(jī)結(jié)合放頂煤工藝的可行性研究。另外,應(yīng)鼓勵(lì)開(kāi)展短壁機(jī)械化開(kāi)采新方法的試驗(yàn)研究,如煤炭地下氣化研究,相關(guān)管理部門(mén)應(yīng)認(rèn)真做好安全評(píng)估準(zhǔn)試工作。

5.2 多樣化、系列化短壁開(kāi)采裝備的創(chuàng)新研制

針對(duì)我國(guó)煤礦煤層賦存條件多樣化特點(diǎn),開(kāi)展連續(xù)采煤機(jī)及其后配套裝備的系列化、多樣化開(kāi)發(fā),拓寬適應(yīng)范圍,尤其是加快1.3 m 以下薄煤層短壁裝備的研發(fā)進(jìn)程,目前,我國(guó)適應(yīng)薄煤層開(kāi)采的連續(xù)采煤機(jī)、梭車(chē)、錨桿鉆車(chē)等關(guān)鍵裝備仍屬空白,大截寬橫軸式滾筒高效截割、大功率重型截割減速器等關(guān)鍵技術(shù)仍需突破。另外,適時(shí)開(kāi)展重型連續(xù)采煤機(jī)、20 t 以上重載梭車(chē)等高效短壁裝備的研發(fā),進(jìn)一步完善各裝備型譜。在鉆機(jī)研制方面,開(kāi)展鉆機(jī)的輕量化及小型化研制,結(jié)合鉆機(jī)的使用特點(diǎn),利用新材料,降低鉆機(jī)的整體重量,提高其運(yùn)動(dòng)靈活性。

結(jié)合短壁開(kāi)采新工藝,適時(shí)開(kāi)展適應(yīng)短壁工作面的切頂裝備、一體化充填裝備、密閉墻施工裝備等連采連充、厚煤層短壁開(kāi)采等新裝備。

5.3 智能化短壁工作面的建設(shè)

實(shí)現(xiàn)短壁工作面的智能化、無(wú)人化開(kāi)采是解決短壁開(kāi)采技術(shù)安全問(wèn)題最有效的途徑。我國(guó)短壁裝備處于機(jī)械化向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型階段,短壁裝備的智能化不會(huì)一蹴而就,尚有許多關(guān)鍵技術(shù)仍待突破,可供選型的高性能和高可靠性防爆類(lèi)傳感器等元器件還非常有限,因此,需要從頂層設(shè)計(jì)出發(fā),按功能需求逐步分段實(shí)現(xiàn)智能化短壁開(kāi)采是目前較為適宜的方法。主要分為以下3 個(gè)階段:

(1)單機(jī)裝備功能的智能化。在連續(xù)采煤機(jī)智能化方面,主要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割和自主導(dǎo)航,開(kāi)發(fā)連續(xù)采煤機(jī)定位和定向系統(tǒng),進(jìn)行機(jī)身實(shí)時(shí)位姿監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)連采機(jī)遠(yuǎn)程控制截割和按規(guī)劃路徑行走;在梭車(chē)智能化方面,主要實(shí)現(xiàn)梭車(chē)的無(wú)人駕駛和自主裝卸,關(guān)鍵是突破轉(zhuǎn)向精度的精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)梭車(chē)按導(dǎo)航路徑自主行走,同時(shí),連續(xù)采煤機(jī)和給料破碎機(jī)分別與梭車(chē)在統(tǒng)一的導(dǎo)航控制系統(tǒng)下智能協(xié)同作業(yè),完成裝卸任務(wù);在錨桿鉆車(chē)的智能化方面,開(kāi)展工作臂零位校準(zhǔn)系統(tǒng)研究,結(jié)合工作臂結(jié)構(gòu)形式,按照機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論建立工作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)各關(guān)節(jié)正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的解析解,為工作臂零位校準(zhǔn)、參數(shù)校準(zhǔn)提供支撐;突破自動(dòng)找孔技術(shù),開(kāi)展基于機(jī)器視覺(jué)的的伺服控制系統(tǒng)研究,針對(duì)不同的地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)狀況,實(shí)時(shí)修正控制量,提高找孔精度;開(kāi)展自動(dòng)錨索鉆機(jī)輸索機(jī)構(gòu)的研制,將錨索自動(dòng)運(yùn)輸至鉆孔中。

(2)短壁工作面的井下遠(yuǎn)程控制。以給料破碎機(jī)為遠(yuǎn)程控制中心,具有工作面多電壓供電管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)(通風(fēng)、瓦斯、頂板監(jiān)測(cè))、成套設(shè)備狀態(tài)圖形化實(shí)時(shí)顯示、工作面設(shè)備集控系統(tǒng)(多機(jī)聯(lián)動(dòng)、協(xié)同控制)、膠帶機(jī)無(wú)人控制等功能,對(duì)工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程操控,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面設(shè)備、環(huán)境全息管控。開(kāi)發(fā)給料破碎機(jī)的自主啟?？刂葡到y(tǒng),利用組合測(cè)距技術(shù),實(shí)現(xiàn)梭車(chē)來(lái)貨啟動(dòng),閑時(shí)休眠;開(kāi)發(fā)設(shè)備防碰撞技術(shù),實(shí)現(xiàn)工作面裝備安全運(yùn)行。構(gòu)建融合Zigbee,Wi-Fi,5G 等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的工作面信息網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)人員定位信息、視頻圖像、語(yǔ)音、工業(yè)數(shù)據(jù)的共網(wǎng)高速傳輸。

(3)短壁工作面的地面遠(yuǎn)程控制。開(kāi)展短壁工作面數(shù)據(jù)感知、交互、上傳及健康診斷技術(shù)研究,建立工作面成套裝備數(shù)據(jù)感知系統(tǒng),積極開(kāi)展數(shù)字孿生技術(shù)在短壁工作面的應(yīng)用,融合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和仿生智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、采煤過(guò)程管理數(shù)字孿生,最終實(shí)現(xiàn)短壁工作面的地面遠(yuǎn)程控制。