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近年來(lái)，我國(guó)煤礦不斷探索符合實(shí)際條件的掘進(jìn)模式，持續(xù)擴(kuò)大掘進(jìn)裝備生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)模，重大技術(shù)裝備研制取得顯著成果，智能采掘技術(shù)進(jìn)展明顯。掘進(jìn)技術(shù)不僅成為煤礦安全高效生產(chǎn)的共性關(guān)鍵技術(shù)，更是補(bǔ)齊煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵短板。
形成符合我國(guó)煤礦實(shí)際的掘進(jìn)模式
采掘接續(xù)影響煤礦的安全高效開(kāi)采。新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)煤炭行業(yè)逐漸形成“采掘并舉，掘進(jìn)先行”的生產(chǎn)理念，總結(jié)并推廣了當(dāng)時(shí)大同礦務(wù)局、京西礦務(wù)局巖石掘進(jìn)，徐州礦務(wù)局綜掘，新汶礦務(wù)局和淮北礦務(wù)局光爆錨噴支護(hù)等經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了先進(jìn)采掘隊(duì)組和特別能戰(zhàn)斗的隊(duì)伍（掘進(jìn)隊(duì)）競(jìng)賽達(dá)標(biāo)等活動(dòng)。
煤礦掘進(jìn)逐漸走向機(jī)械化，裝備制造水平不僅滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，也基本結(jié)束了依靠進(jìn)口的局面。1976年，我國(guó)第一臺(tái)煤巷掘進(jìn)機(jī)成功下線。1978年，煤礦掘進(jìn)機(jī)械化率為14.5%，2018年提高到60.4%，保障了煤炭的生產(chǎn)供應(yīng)。如今，我國(guó)煤礦掘進(jìn)機(jī)已具備年產(chǎn)2500余臺(tái)的制造能力。
據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)孫守仁介紹，近年來(lái)，全斷面高效掘進(jìn)機(jī)、復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)、全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)、全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)、大傾角盾構(gòu)機(jī)等重大裝備研制成功，在開(kāi)采條件簡(jiǎn)單的大斷面、長(zhǎng)距離的煤（巖）巷初步實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)。
目前，我國(guó)煤礦掘進(jìn)形成了以鉆爆法、綜掘法（包括連采機(jī)工法、掘錨一體機(jī)工法）和TBM工法（盾構(gòu)法）為主的發(fā)展模式。鉆爆法技術(shù)相對(duì)成熟、成本低，但掘進(jìn)效率低、工藝繁瑣、安全性低；綜掘法目前應(yīng)用最廣泛，主要有綜掘機(jī)掘進(jìn)、連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)和掘錨一體化掘進(jìn)3種方式；礦用TBM工法已在個(gè)別煤礦得到應(yīng)用。
2019年7月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)煤礦大直徑大埋深全斷面盾構(gòu)機(jī)“新礦1號(hào)”在山東能源新礦集團(tuán)新巨龍公司井下-980米全巖巷道順利應(yīng)用。新巨龍公司總經(jīng)理李偉表示，“新礦1號(hào)”集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)、除塵、通風(fēng)等功能于一體，標(biāo)志著煤礦巖巷掘進(jìn)機(jī)在大直徑、大埋深、復(fù)雜地層施工方面實(shí)現(xiàn)新突破。
近年來(lái)，我國(guó)智能化掘進(jìn)工作面嶄露頭角。《煤礦機(jī)器人研發(fā)重點(diǎn)目錄》提出了9種掘進(jìn)類機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用要求。《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，要基本實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面減人提效。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至今年8月底，全國(guó)煤礦建成智能化掘進(jìn)工作面123個(gè)。智能化掘進(jìn)工作面主要模式為基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能綜掘工作面和基于掘錨一體機(jī)的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)。基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能綜掘工作面以自動(dòng)截割為主、遠(yuǎn)程干預(yù)為輔；基于掘錨一體機(jī)的智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)具有超前鉆探、精確定位、自主導(dǎo)航、自動(dòng)截割、自動(dòng)支護(hù)、連續(xù)轉(zhuǎn)載、泡沫除塵、遠(yuǎn)程集控等功能。
兗州煤業(yè)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(jìn)智能掘進(jìn)工作面建設(shè)工作，目前累計(jì)建成了24個(gè)重點(diǎn)掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全高效掘進(jìn)。
傳統(tǒng)掘進(jìn)格局尚未打破 掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展不平衡
“我們煤礦掘進(jìn)工作雖取得了一點(diǎn)成績(jī)，但更應(yīng)該如履薄冰、居安思危，充分認(rèn)識(shí)存在的問(wèn)題。”孫守仁指出。
數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)83%的煤炭產(chǎn)量來(lái)自井工開(kāi)采，若平均按50米的萬(wàn)噸掘進(jìn)率計(jì)算，掘進(jìn)工程量超過(guò)1.5萬(wàn)公里。其中，煤巷、半煤巖巷約占總掘進(jìn)工程量的70%。我國(guó)煤礦掘進(jìn)面有1.6萬(wàn)個(gè)，支護(hù)、輔助運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)高度依賴人工；掘進(jìn)面水、瓦斯、頂板、粉塵、沖擊地壓嚴(yán)重威脅人員安全，頂板事故起數(shù)與死亡人數(shù)占事故總起數(shù)和死亡人數(shù)的比率均超50%。
我國(guó)煤礦賦存條件千差萬(wàn)別，造成了掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展的不平衡。據(jù)了解，陜北、神東等礦區(qū)頂板條件好、圍巖完整，最高月進(jìn)尺超過(guò)3000米。占全國(guó)約90%的一般及復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，圍巖松軟破碎，平均月進(jìn)尺不足200米。
中國(guó)工程院院士康紅普指出，根據(jù)地質(zhì)條件，可將我國(guó)現(xiàn)有掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)發(fā)展類型分為三類，較好條件煤巷掘進(jìn)、一般及復(fù)雜條件煤巷掘進(jìn)和巖巷掘進(jìn)。
較好條件煤巷掘進(jìn)構(gòu)造少、煤系地層完整，主要采用掘錨機(jī)組+后配套方式（單巷）、連采機(jī)+錨桿臺(tái)車（雙巷）掘進(jìn)方式，如陜煤榆北煤業(yè)公司形成的適用該公司不同地質(zhì)條件的四類快掘成套裝備，可實(shí)現(xiàn)月單進(jìn)平均1500米。
一般及復(fù)雜條件煤巷掘進(jìn)構(gòu)造較多、圍巖強(qiáng)度低、完整性差，錨桿及時(shí)支護(hù)與施加高預(yù)應(yīng)力是關(guān)鍵。掘進(jìn)方式主要為懸臂式掘進(jìn)機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)+臨時(shí)支架+錨桿臺(tái)車，懸臂式掘錨一體機(jī)等。其中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)掘進(jìn)方式為我國(guó)主要的掘進(jìn)支護(hù)方式，全國(guó)平均月進(jìn)尺180米，如山西、山東與兩淮地區(qū)的煤礦。
巖巷掘進(jìn)則有炮掘、TBM、重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。如煤礦全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)經(jīng)改造后，應(yīng)用于華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)新景礦，最高月進(jìn)尺562米。
“煤礦掘進(jìn)與支護(hù)作業(yè)存在一些關(guān)鍵難題，缺乏有效的臨時(shí)支護(hù)、大部分條件掘支不能平行作業(yè)、錨桿和錨索支護(hù)施工時(shí)間長(zhǎng)、單機(jī)自動(dòng)化程度低和多機(jī)協(xié)作能力差、機(jī)械設(shè)備可靠性差和整體開(kāi)機(jī)率低等。”康紅普說(shuō)。
此外，部分企業(yè)對(duì)掘進(jìn)工作認(rèn)識(shí)不到位，“重采煤、輕掘進(jìn)”現(xiàn)象存在。比如，掘進(jìn)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性高，但工人待遇趕不上采煤工；一些單位對(duì)掘進(jìn)投入相對(duì)不足，許多掘進(jìn)設(shè)備超期服役；連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)、掘錨一體化掘進(jìn)、盾構(gòu)法掘進(jìn)等方式，尚未得到大量推廣應(yīng)用。
傳統(tǒng)綜掘工藝雖在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了截割、運(yùn)煤的機(jī)械化或半機(jī)械化作業(yè)，但其他工藝環(huán)節(jié)仍大量依靠人工作業(yè)，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率和安全。如掘支運(yùn)不能平行作業(yè)，而且在沖擊地壓、高瓦斯、深部等復(fù)雜條件礦井，支護(hù)耗時(shí)更多；后配套系統(tǒng)特別是通風(fēng)、除塵、安全監(jiān)控、壓風(fēng)、供水、供電等，缺乏統(tǒng)一設(shè)計(jì)與服務(wù)，無(wú)法高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。
“目前，我國(guó)傳統(tǒng)掘進(jìn)格局尚未打破，煤礦間發(fā)展差距較大，后配套系統(tǒng)效率較低，關(guān)鍵制造裝備能力不足，核心技術(shù)和基礎(chǔ)研究短板明顯，掘進(jìn)工藝有待優(yōu)化，職工素質(zhì)有待提升。”孫守仁表示。
開(kāi)展有針對(duì)性的集中攻關(guān)研究
煤礦掘進(jìn)不僅關(guān)乎效率，更與礦工安全與健康息息相關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)煤礦從業(yè)人員中，從事采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)任ｋU(xiǎn)繁重崗位人員占比在60%以上，其中直接從事掘進(jìn)作業(yè)的人員約30萬(wàn)人。
多年來(lái)，企業(yè)粉塵危害防治經(jīng)費(fèi)投入相對(duì)不足，控除塵技術(shù)單一、現(xiàn)場(chǎng)管理不到位、工人個(gè)體防護(hù)意識(shí)不強(qiáng)等問(wèn)題較為突出。據(jù)中國(guó)煤礦塵肺病防治基金會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)塵肺病患者達(dá)80多萬(wàn)人，其中60%以上在煤礦，且每年約以3萬(wàn)例的速度在遞增。有的煤礦掘進(jìn)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(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
“我們一定要統(tǒng)一思想，凝聚共識(shí)，全力構(gòu)建一個(gè)安全、高效、綠色、智能的現(xiàn)代化煤礦掘進(jìn)新體系。”孫守仁說(shuō)。
如何構(gòu)建現(xiàn)代化煤礦掘進(jìn)新體系？在全國(guó)煤礦快速掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)上，很多企業(yè)代表表示，重視掘進(jìn)工作、加大資金和裝備投入、加強(qiáng)人才培養(yǎng)、提升管理水平是關(guān)鍵。
“智能快掘不是純粹的工序疊加，也不是‘人少能力強(qiáng)’，而是‘人—機(jī)—環(huán)—管’的高度融合。”榆北煤業(yè)公司總經(jīng)理石增武說(shuō)。
此次全國(guó)煤礦快速掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)交流會(huì)選址在陜煤集團(tuán)榆北煤業(yè)公司。近年來(lái)，該公司秉承“掘進(jìn)先行”的理念，成立智能化建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，依托工程研究中心和博士后流動(dòng)工作站，加大與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中鐵建集團(tuán)、西煤機(jī)等單位的跨界合作力度，成立了“王劍智能快速掘進(jìn)”團(tuán)隊(duì)。他們通過(guò)將快速掘進(jìn)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人等深度融合，建立了集感知、分析、自學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)、決策與控制于一身的完整的智能系統(tǒng)，整合掘—鋪—支—運(yùn)全過(guò)程。截至目前，該集團(tuán)對(duì)智能快掘裝備改造工作累計(jì)投入超過(guò)3000萬(wàn)元。
“巷道掘進(jìn)與支護(hù)已成為煤礦自動(dòng)化、智能化建設(shè)的短板。必須針對(duì)我國(guó)不同的地質(zhì)條件，開(kāi)展有針對(duì)性的集中攻關(guān)研究，形成不同形式的快速掘進(jìn)、支護(hù)技術(shù)與裝備，使掘支作業(yè)由主要依靠人工到全面機(jī)械化，再到自動(dòng)化和智能化。”康紅普說(shuō)。
針對(duì)重點(diǎn)技術(shù)，康紅普建議，在煤礦巷道圍巖分類的基礎(chǔ)上，分類開(kāi)發(fā)適應(yīng)不同圍巖條件的快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)及裝備；開(kāi)發(fā)掘進(jìn)工作面高精度定位導(dǎo)航；開(kāi)展掘進(jìn)工作面臨時(shí)主動(dòng)、自動(dòng)化支護(hù)技術(shù)與裝備研發(fā)；開(kāi)展錨桿支護(hù)工藝變革，推動(dòng)錨桿自動(dòng)化鉆裝技術(shù)發(fā)展；開(kāi)展巷道圍巖穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、反饋、決策、控制技術(shù)研究；開(kāi)展超前探測(cè)、掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、通風(fēng)、降塵等快速成巷的全系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化升級(jí)，以大幅提高掘進(jìn)速度與效率。
為提高瓦斯治理巖巷掘進(jìn)速度和突出煤巷單進(jìn)水平，給瓦斯治理提供充足時(shí)間與空間，中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)副總經(jīng)理張建國(guó)表示，該集團(tuán)在全國(guó)深井煤礦巖巷施工率先引進(jìn)用于地鐵隧道的懸臂式大功率硬巖掘進(jìn)機(jī)，推廣應(yīng)用具有轉(zhuǎn)速快、扭矩大、推力足等優(yōu)勢(shì)的液壓錨桿鉆車；聯(lián)合重慶大學(xué)等單位展開(kāi)攻關(guān)，建成具有一鍵啟停、遠(yuǎn)程操控、無(wú)人切割的智能化掘進(jìn)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)機(jī)、液壓錨桿鉆車、膠輪車、膠帶輸送機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等設(shè)備的有機(jī)配套和集中控制，所有設(shè)備均可一鍵啟動(dòng)。
智能掘進(jìn)是發(fā)展方向。中國(guó)鐵建重工集團(tuán)煤礦裝備研究院院長(zhǎng)張廷壽指出，煤礦智能化快速掘進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)包括精準(zhǔn)定位、自動(dòng)導(dǎo)航、超前鉆探、自動(dòng)截割、自動(dòng)支護(hù)、連續(xù)轉(zhuǎn)載、故障預(yù)診、遠(yuǎn)程集控。不過(guò)，目前，我國(guó)智能快掘工作面普遍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程操作，實(shí)質(zhì)屬于機(jī)械化、自動(dòng)化掘進(jìn)，距離完全的無(wú)人化掘進(jìn)、無(wú)人自動(dòng)錨護(hù)等還有一定距離。
華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)曾試用過(guò)懸臂式掘進(jìn)機(jī)加裝機(jī)載錨桿鉆機(jī)、掘錨一體化快速掘進(jìn)作業(yè)線、煤巷矩形護(hù)盾式掘錨機(jī)等設(shè)備，均未收到良好效果。2020年，華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)在大斷面厚煤層順槽巷道試用雙鉆臂掘錨護(hù)一體機(jī)，效果良好。該集團(tuán)有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，“快掘系統(tǒng)必須滿足一定條件才能發(fā)揮其性能”。
“我們既要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，大膽融合5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，盡快突破智能化少人無(wú)人掘進(jìn)技術(shù)，也要深刻認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，做好長(zhǎng)期攻堅(jiān)的準(zhǔn)備。”孫守仁建議。
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